高压气动弹射过程控制研究

发布时间：2020-04-25 19:19

【摘要】：高压气动弹射技术以具有瞬间膨胀性强、功率密度大等特性的压缩空气为工作介质,具有功率-质量比大、无污染、防燃、防爆、防电磁干扰、工质温度低、无需热防护措施、通用性好、成本低等优点,在导弹发射领域具有较好的应用前景。但是气动系统具有很多不利于精确控制的弱点,如强非线性、模型不确定性等,如何实现高压气动弹射过程控制仍是一个难点。本论文以高压气动弹射系统为研究对象,为实现系统弹射过程的控制,把弹射系统分为高压气动子系统和液压位置控制子系统,高压气动子系统由气源、气阀、气缸等组成。液压伺服子系统由活塞杆和气阀阀芯机械连接的液压缸、伺服阀、油源等组成,可实现气阀阀芯位置的精确控制。为获得理想气阀通流面积,针对高压气动子系统设计了高性能位置控制策略,通过气动控制子系统理论仿真得到的理想气阀通流面积,设计了液压位置控制子系统的期望指令,控制气阀阀芯按预设的轨迹运动,实现了高压气动弹射过程的控制。本文将以实现高压气动弹射过程高精度控制为目标,以驱动气阀阀芯运动的液压伺服系统高精度运动控制研究为核心,从建立精确描述系统特性的非线性模型入手,利用理论分析和实验相结合的方法,深入的研究了气动控制策略和液压伺服位置控制策略。(1)针对弹射系统高压气动子系统,建立了高压气动系统完整的非线性模型,考虑到高压气体的性质已偏离理想状态,采用改进维里方程对理想气体状态方程进行合理修正,基于修正后的气体状态方程推导了较为真实的压力动态方程。针对气动子系统中的不确定性(参数不确定和不确定非线性),设计了基于误差符号积分的气动伺服系统非线性控制器,获取气动子系统的控制作用规律。此外,为了改善控制系统的瞬态性能问题,提出了预设性能控制方法,对系统的瞬态性能施加约束,保证系统的稳态性能和瞬态性能的同时,获得了更加理想的控制作用规律。通过仿真验证了控制器的有效性。(2)针对弹射装置的液压位置伺服子系统,建立了液压伺服系统完整的非线性模型。阐述了阀控液压缸位置控制的主要问题;重点针对液压伺服系统的不确定性,设计了含干扰补偿的反馈非线性鲁棒控制策略;该控制器由有限时间干扰观测器和基于反步法设计的非线性鲁棒控制器两部分组成,通过在线干扰估计来补偿系统的不确定性,利用鲁棒反馈来保证系统的稳定,从而保证了高的控制精度。最后通过不同工况的对比实验,验证了控制器的有效性。(3)针对实验中存在的速度信号测量噪声问题,设计了基于扩张状态观测器的反馈非线性鲁棒控制策略;通过速度状态和干扰的在线估计及实时补偿,抑制了速度信号可能引入系统的严重噪声的同时,大大降低了系统不确定性对控制器控制性能的影响。(4)由于气阀中死区的存在,驱动气阀开闭的液压位置伺服系统初始状态是不匹配的,有可能出现速度或加速度过大的情况,降低驱动气阀的液压系统的位置控制精度,进而影响导弹弹射的控制精度。本文针对此问题,开展基于全状态约束的液压系统的运动控制研究,基于障碍李雅普诺夫函数,考虑干扰补偿以及噪声抑制,设计了系统全状态约束控制策略。最后通过实验验证了控制策略的有效性。(5)依据实际工况设计了弹射装置原理样机,基于相关控制问题,结合不同技术难点设计了合理的实验方案。通过伺服系统控制结果以及导弹弹射位移、弹射末速度等结果,验证了系统模型的精确性和控制策略的有效性。
【图文】：

原理样机,发射装置,弹射系统

逦２高压气动弹射系统总体方案设计逡逑２．１引言逡逑基于高压气动弹射工作原理，并考虑到弹射系统的环境适应性，我们提出了高压气逡逑动弹射系统的总体方案，详细地介绍了装置的基本构成和工作原理。基于弹射系统的载逡逑荷、尺寸和功能需求，给出了弹射装置的主要参数的初步设计。最后，从本论文的出发逡逑点考虑，分析了弹射装置工作过程中的主要控制技术难点，，为后续章节控制策略的研宄逡逑奠定了基础。逡逑２．２总体方案设计逡逑２．２．１装置总体方案设计和工作原理逡逑弹射系统发射装置结构示意图和原理样机图如图２．１？２．２所示。逡逑

气阀,液压伺服系统,弹射系统,发射装置

始往上运动，并以一定速度出筒，至一定高度处，导弹发动机点火；同时液压伺服系统逡逑驱动气阀快速关闭，气缸内的高压气体通过泄气孔排出，气体压力迅速降低，推弹装置逡逑由液压制动系统缓冲下来，至此，整个弹射过程完成。发射装置原理图如图２．３。逡逑由弹射装置的设计原理和工作过程可知，弹射系统是整体上是一个开环的系统，为逡逑了获得气阀的控制作用规律，本文将整个弹射系统分为两个主要部分：气动子系统和液逡逑压伺服子系统。气动子系统主要实现弹射系统的弹射控制功能，研宄气阀阀芯位移和弹逡逑射导弹位移的关系，包括气源、气阀和气缸。对气动子系统进行闭环仿真研宄，通过设逡逑计的控制器和导弹期望指令仿真得到气阀阀芯理想位移曲线，指导液压伺服子系统期望逡逑指令的设计；液压伺服子系统主要实现气阀阀芯的位置控制功能，研宄气阀阀芯和整个逡逑弹射系统的控制输入的关系，包括油源、液压伺服阀和双出杆液压缸。液压位置伺服系逡逑２２逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ768

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