一種箭體多級聯合全自動垂調控制算法研究及系統設計

劉麗媛，邢 然，王趙帥，鄭國昆，劉海波

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

火箭垂直度調整的目的是調整發動機推力線，從而減小火箭起飛段的橫向漂移量。垂直度調整是非常重要的一個環節，其可靠性及精度是系統重點關注指標。

運載火箭通過發射平臺支承臂機械接口豎立在發射平臺上，中國運載火箭除新一代大型運載火箭外，均為4個支承臂支承運載火箭箭體的支承方式，故稱為“四點支承”。支承臂是發射平臺的部組件之一，通過液壓動力驅動支承臂可實現支承臂的伸縮運動，運載火箭采用四點支承時，通過對4個支承臂的協調動作，即可實現運載火箭的垂直度調整操作。

現有的基于4點支承的垂直度調整方法，多為半自動或單級垂調控制模式。為滿足載人火箭的高可靠及高精度需求，需設計一種基于全自動多級聯合的高精度垂調控制策略的控制系統，將各級水平度控制在相應的允許范圍，實現整體箭體垂直度調整需求。這就要求控制算法需能夠解決各級間的反向作用及相互影響，以滿足系統在性能優化的基礎上，減少垂直度調整時間的總體要求。

本文對多級整體垂調需求進行解析，通過理論分析，建立算法模型及系統，并結合試驗數據，對全自動多級聯合的影響因素及控制算法進行探討與改進，最終實現4點平面下的快速調平控制。

1 系統需求及原理模型

1.1 系統需求

本系統及算法需求就是建立在4點支承的基礎上的多級聯合全自動垂調系統，既適用于I級火箭與發射平臺對接后的獨立垂調，也適用于Ⅱ級火箭、星箭組合體上箭對接后的I、Ⅱ級同時垂調。

本系統應根據I、Ⅱ級水平儀數據，將測量垂直度與目標垂直度偏差值調整到總體要求范圍內，并在過程中保證滿足如下條件：

a）支承臂高度升降范圍為0～120 mm，其中兩端各留10 mm的安全范圍。當支承臂升降過程中達到10 mm的上下限范圍時系統進行報警及校正；

b）4個支承臂在垂直度調整過程中執行升降動作。動作時，當高差Δ絕對值不小于2 mm時進行報警、校正。

式中～分別為Ⅰ～Ⅳ支承臂高度傳感器示值，單位mm；

c）I級火箭轉場后進行單獨垂調，要求I級水平度（以下簡稱）滿足∣∣≤0.5′；

d）II級火箭、星箭組合體轉場后對II級進行垂調，要求I、II級水平度（以下簡稱）分別滿足∣∣≤3′,∣∣≤15′。

調整到位后，全自動垂調自動停止，并給出調整完畢的結論。

1.2 原理模型

四點支承調平，將由4個獨立象限中支承臂所在點位確定為1、2、3、4四點的平面，記為一級平面,如圖1所示。

圖1 一級平面模型Fig.1 Level 1 Plane Model Diagram

水平傳感器沿、方向布置，、兩個方向的水平傾角分別為和，兩傳感器間的夾角為，則平臺的傾斜角度可由和合成為

I、Ⅱ級水平數據原理均可簡化為如上模型，但I、Ⅱ級測量的水平數據，受4個支承臂動作調整的影響不同，在多級聯合的情況下，4個支承點的動作對平面的作用效果存在差異。需通過合理的算法模型進行解算，達到多級的綜合優化調整效果。

2 多級聯合垂調控制算法研究

2.1 控制影響因素解析

通過系統需求分析及控制原理解析，不難發現多級聯合垂調控制算法應能實現同步運動誤差、水平度范圍多因素相互作用下的最優動作“路線”規劃。

2.1.1 同步運動誤差控制

為使4點支承下的各級箭體水平面處于各自的同一水平面上，在支承臂上升、下降過程中每一時刻都要保證4路升降的位移變化絕對值基本相同，因此不僅要對每一路升降支承臂的位置進行精確位置跟蹤控制，還要對多路升降支承臂進行高精度同步控制，即不僅要考慮每路位移實際值與設定值之間的跟蹤誤差，還需考慮該路與相鄰一路之間位移的同步誤差。針對系統被控對象多的特點，基于耦合補償原理，本研究采用環形耦合控制方式對多路液壓馬達進行同步控制，對于每路液壓馬達，僅考慮與其相鄰一側液壓馬達的位移偏差，該位移偏差反饋到該路支承臂，對其控制量進行補償修正，各路支承臂之間兩兩耦合，形成耦合環，在負載擾動等情況下，仍能保證各路之間較好的同步控制精度。位置閉環跟蹤控制模型如圖2所示。

圖2 位置閉環跟蹤控制模型Fig.2 Postion Closed-loop Tracking Control Model Diagram

由個支承臂構成的多點控制系統，第點的跟蹤誤差可定義為

為了更好地反映各點位置誤差的變化情況，按鄰近次序定義同步誤差為ε()如式（5）：

2.1.2 水平度調整控制

不同級平面的測量角度傳感器不同，但控制模型一致。針對每一獨立級平面，系統需求以該級水平度為判據，可采用角度調平方法。該方法實質是對水平儀檢測實際傾角角度和進行調整，直到檢測到的兩個角度滿足測量垂直度與目標垂直度偏差值小于10″的誤差范圍內，則平臺實現調平。

常見的角度誤差控制調平法的控制邏輯如圖3所示。假設最高點不動，分析角度控制誤差調平方法。當＞0，＞0時，第1條支腿為最高點，保持第1條支腿的支撐點不動，則第2、3條支腿同時上升就會使減小，當減小至允許誤差范圍值時2、3支腿停止上升；接下來令第3、4條支腿上升，從而使減小，當減小至允許誤差范圍值時3、4支腿停止上升，則平臺實現調平。對于兩個傾角、的調節，一般先調節較大的角度，注意在調節過程中，務必使最高點保持不動。

圖3 水平度控制模型Fig.3 Levelness Control Model Diagram

但由于受箭體特性影響，在本系統角度控制調節時無法保持最高點不動原則。所以調整角度控制策略如下：

其中，項傾角為1、3支承臂連線角度，正值為1低3高，項傾角為2、4支承臂連線角度，正值為2低4高。當︱︱＞0，︱︱＞0 時，對于兩個傾角、的調節，先調節較大的角度。例如傾角較大，則先調節傾角軸線上的兩個支承臂的高度，動作方向應為傾角變小的趨勢一致，兩個支承臂作反向運動，直到角度值滿足調平要求，即可停止動作。反之亦然。

2.2 控制算法研究

通過各影響因素解析及控制模型建立，綜合多級聯合垂調的支承臂控制策略如下：

在支承臂控制過程中，系統實時采集各支承臂高度，計算控制誤差，并將采集和控制輸出信號傳送執行機構及顯示器，實時監測動作過程數據。同時接受來自I級火箭水平儀I-III象限垂直度、I級火箭水平儀II-IV象限垂直度、II級火箭水平儀I-III象限垂直度、II級火箭水平儀II-IV象限垂直度，用于支承臂垂調流程控制。

依據要求I級水平度、II級水平度，分別滿足 ∣∣≤3′和∣∣≤15′，∣－∣≤18′自動調整；∣－∣＞18′協商手動調整。分解判斷策略如表5所示，設為0′至1′之間的一個控制公差（默認0.5′）。其中，邊界范圍值及公差值均可根據要求進行設置調整。

表1 垂調控制策略分析表Tab.1 Vertical Control Strategy Analysis Table

由于算法采用水平度及位移值雙閉環處理，為避免產生反復調節及“過矯”情況，同時在算法控制中，設定控制原則如下：

a）設定優先級分別為：水平度→位移值；

b）各傾角方向單獨判斷調整，確定各傾角線上支承臂動作；

c）單次動作中，單一傾角方向上的支承臂動作調節，需按首次判定方向動作，不允許進行反向調節。

3 控制系統設計

本文設計的控制算法，搭載支承臂垂調控制系統設備進行驗證。系統硬件設計架構見圖4，系統采用PLC控制器，運行周期10 ms左右，具有快速的計算性能。控制器通過模擬量采集通路采集各支承臂的位移傳感器的實時數據值，通過串口接收箭上各級水平角度數值，通過控制器控制算法計算判斷，給出各個支承臂的動作控制信號，從而驅動執行機構進行動作，達到調整箭體整體垂直度的效果。其中，執行機構包括支承臂、液壓驅動系統等外圍所有動作設備。控制系統主要通過輸出不同的流量控制信號，給比例放大板，控制液壓系統比例流量閥的調節，驅動液壓馬達，從而實現支承臂的動作精度控制。

圖4 控制系統架構Fig.4 Control System Architecture Diagram

4 試驗測試數據及結果分析

4.1 試驗測試數據

基于支承臂垂調控制系統設備對控制算法進行了兩部分驗證測試。

4.1.1 邊界范圍控制測試

主要以水平儀的各種邊界情況進行策略判定測試驗證在極端工況下的算法自適應情況。當I、II級水平儀數據在要求范圍內時，不進行調平動作；當不滿足要求時，共有3種工況：

a）I級水平儀滿足，II級水平儀不滿足。

此情況下的水平角度邊界測試值及動作狀態值如表2所示，其中，分別為1，3方向和2，4方向上的傾角值，下角標1，2代表所相應的級層。

表2 水平角度及動作狀態1Tab.2 Horizontal Angle and Motion State 1

b）I級水平儀不滿足，II級水平儀滿足。

此情況下的水平角度邊界測試值及動作狀態值如表3所示。

表3 水平角度及動作狀態2Tab.3 Horizontal Angle and Motion State 2

c）I、II級水平儀都不滿足。

此情況下的水平角度邊界測試值及動作狀態值如表4所示。

表4 水平角度及動作狀態3Tab.4 Horizontal Angle and Motion State 3

根據控制系統實物測試邊界結果可見，控制算法在各邊界工況下的自動判斷優化選擇有效，與期望運動控制效果一致，能夠滿足系統自動多級聯合垂調判斷控制使用要求。

4.1.2 控制性能測試

測試控制算法在任意工況下，調節動作的控制性能及效果。以實際測試時某次動作數據為例，水平角度數值向傾角5′08″，向傾角4′09″，各支承臂初始動作高度值均為60 mm，目標值向傾角2′，向傾角2′。調整后，水平角度數值向傾角2′04″，向傾角2′04″，各支承臂高度值依次為Ⅰ：58.39 mm，Ⅱ： 59.35 mm，Ⅲ：62.06 mm，Ⅳ：61.20 mm。各支承臂位移變化趨勢如圖5所示，水平角度變化趨勢如圖6所示，傾角角度值在實際計算及記錄中統一轉換為單位秒。

圖5 支承臂位移變化趨勢Fig.5 Displacement Trend Diagram of Supporting Arm

圖6 水平角度變化趨勢Fig.6 Horizontal Angle Trend Chart

4.2 結果分析

結合試驗數據分析，可總結多級自動垂調控制算法下支承臂動作規律如下：

a）各支承臂動作時，對關鍵因素的影響由大到小為：水平度→位移值。

b）水平度調整時，不同向傾角間，相互影響較小，變化趨勢趨近一致。

c）垂直度調整時高度值及變化差值算法能夠閉環控制在±0.5 mm。

試驗結果表明，本文設計的控制算法能滿足多級聯合垂調控制的需求，控制精度高，提升了垂調控制性能及控制時間，具有極強的工程應用性。

5 結 論

本文依據需求，以水平傾角及支承臂位移高度作為調整控制對象，設計了一種多級聯合垂調控制算法，試驗證明該算法能高效實現箭體垂直度的快速判定與調整控制，調整結果與目標期望值一致，將誤差控制在要求范圍之內，實現高精度雙閉環垂調控制功能。基于設計方案的試驗結果，對垂調控制下的各關鍵因素的調整趨勢及規律做了深入探討，總結了各關鍵因素受控制策略影響的優先程度，實現了全自動多級聯合的高精度垂調控制。該控制算法已應用于某型號活動發射平臺大修的電氣系統更新研制中，并經過了出廠測試、靶場現場安裝調試及發射任務的考核。