干扰速率补偿式火炮线自稳定跟踪控制建模与仿真

doi:10.12382/bgxb.2021.0295

摘要/Abstract

摘要： 为适应动基座、高射角条件下火炮高精度的稳定跟踪控制的需求，提出一种基于大地坐标系下干扰速率补偿式火炮线自稳定控制方法，以有效抑制自行火炮车体姿态扰动对火炮线指向的影响。根据指向稳定的火炮线在动基座上的运动规律，设计新的干扰速率测量陀螺安装方式，推导在大地坐标系下的方位向和高低向干扰速率解耦补偿值，并在传统的高炮随动基础上应用干扰速率前馈补偿，实现火炮线自稳定和控制解耦。由于火炮稳定只涉及炮塔回转、火炮俯仰两个自由度且都存在偏心矩等因素，采用牛顿-欧拉法建立运动车体与火炮、炮塔之间的动力学模型，并考虑传动机构的刚度和齿隙的非线性，结合执行电机模型和经典闭环控制，以车体航向、俯仰、横滚各幅值为7°，周期为2 s的三轴复合摇摆条件，分别对该控制策略在忽略弹性、考虑动弹性的两种情况下对该控制策略进行仿真研究。仿真结果表明，所提稳定控制方法实现了稳定射角不低于60°，在传动弹性条件下的稳定误差不大于0.5 mrad，正弦稳定跟踪误差不大于2.8 mrad，同时实现了高低向和方位向的的控制解耦，为火炮线高响应、高精度稳定控制提供了新的研究思路和方法。

关键词: 自行火炮, 火炮线自稳定, 干扰速率补偿, 稳定跟踪控制, 控制解耦

Abstract: A self-stabilizing control method for gun line based on interference rate compensation in geodetic coordinates is proposed to achieve the high precision stability and tracking control of gun under the conditions of moving base and high firing angle. The proposed method can used to effectively restrain the influence of self-propelled artillery attitude disturbance on the gun line pointing. According to the motion law of stable gun line on a moving base，a mounting mode of interference rate measuring gyro is designed，and the decoupling compensation values of the azimuth and pitching interference rate in geodetic coordinates are derived. On the basis of the traditional anti-aircraft gun servo principle，the interference rate feed-forward compensation is applied to realize the self-stabilization and control decoupling of gun line. Since the gun stability is only related to two degrees of freedom of turret rotation and gun pitching，both of which have eccentricity moment and other factors. The Newton-Euler approach is used to establish a dynamic model of moving carrier，gun and turret. The nonlinear stiffness and backlash of transmission mechanism are considered combined with the executive motor model and classical closed-loop control. The control strategy is simulated in the two cases of ignoring elasticity and considering elasticity，respectively，under the conditions of three-axis compound swaying with the heading，pitching，rolling amplitudes of 7° and period of 2 s of vehicle body. The simulated results show that the proposed stability control method with interference rate compensation is used to achieve the stable firing angle of more than 60°，the stability control error of less than 0.5 mrad and the sinusoidal stability tracking control error of less than 2.8 mrad，and the control decoupling of pitching an azimuth is realized.

Key words: self-propelledartillery, gunlineself-stablization, interferenceratecompensation, stabilitytracking, controldecoupling

中图分类号:

TJ275

李伟，韩崇伟，刘爱峰，任海波，胡鑫，姜俊峰. 干扰速率补偿式火炮线自稳定跟踪控制建模与仿真[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1233-1245.

LI Wei， HAN Chongwei， LIU Aifeng， REN Haibo， HU Xin， JIANG Junfeng. Modeling and Simulation of Self-stable Gun Line Control Using Interference Rate Compesation[J]. Acta Armamentarii, 2022, 43(6): 1233-1245.

参考文献

［1］冯长根，温波，李才葆.自行火炮行进间射击动力学研究[J].兵工学报，2002，23（4）：457-461.
FENG C G，WEN B，LI C B.Dynamic analysis of a self-propelled gun firing on the move[J].Acta Armamentarii，2002，23（4）：457- 461.(in Chinese)
[2] 王红岩，郝丙飞，于魁龙，等.坦克底盘-火炮系统动力学建模及火炮振动特性分析[J].兵器装备工程学报，2017，38（12）：6- 12.
WANG H Y，HAO B F，YU K L，et al.Dynamics modeling for tank chassis-gun system and analysis for gun vibration[J].Journal of Ordanance Equipment Engineering，2017，38（12）：6-12.(in Chinese)
[3] 李长兵，袁东，马晓军，等.高速机动条件下坦克火炮系统扰动力矩谱研究[J].兵工学报，2015，36（4）：582-589.
LI C B，YUAN D，MA X J，et al. Research on disturbance moment spectrum of tank gun system under high maneuvering conditions[J].Acta Armamentarii，2015，36（4）：582-589.(in Chinese)
[4] 武智晖，马红卫，梁建奇，等. 海上间瞄射击控制技术分析和仿真[J].火力与指挥控制，2015，40(1):77-87.
WU Z H，MA H W，LIANG J Q，et al. Analysis and simulation of offshore indirect firing control technology[J].Fire Control & Command Control. 2015，40(1):77-87.(in Chinese)
[5] 谢薇，郭齐胜，陈锐，等.水陆坦克海上运动姿态实时仿真探讨[J].计算机工程与应用，2002，38（24）：234-237， 240.
XIE W，GUO Q S，CHEN R，et al.Motion attitude's simulation of amphibious tank in the water[J].Computer Engineering an Applications，2002，38（24）：234-237，240.(in Chinese)
[6] 郗小鹏，苏敏，李雪玲，等.三轴陀螺稳定平台空间解耦算法及其工程设计[J].机械设计与研究，2019，35（6）：72-76.
XI X P，SU M，LI X L，et al.Spatial decoupling algorithm and engineering design of triaxial gyro stabilized platform[J]. Machine Design and Research，2019，35（6）：72-76. (in Chinese)
[7] 李大泉，洪华杰，杨树勋.两轴并联稳定平台耦合分析与解耦控制研究[J].电光与控制，2020，27（10）：99-104.
LI D Q，HONG H J，YANG S X.Coupling analysis and decoupling control for a 2-DOF parallel stabilized platform[J].Electronics Optics ＆ Control，2020，27（10）：99-104.(in Chinese)
[8] 嵇婷，纪明，胥青青，等.机载稳定平台建模与动态特性分析[J].激光与红外，2021，51（2）：206-211.
JI T，JI M，XU Q Q，et al.Modeling and dyamic characteristics analysis of ariborne photoelectric stabilization platform[J]. Laser & Infrared，2021，51（2）：206-211.(in Chinese)
[9] 罗护，范大鹏，张智勇，等.两轴陀螺稳定系统中陀螺安装的几种方法[J].兵工学报，2005，26（3）：426-428.
LUO H，FAN D P，ZHANG Z Y，et al. Several issues in installation of 2-axis rate gyro stabiized sighting system[J].Acta Armamentarii，2005，26（3）：426-428.(in Chinese)
[10] 李伟，韩崇伟，张太平，等.自行高炮射击线稳定系统动力学建模与仿真[J].兵工学报，2013，34（10）：1201-1208.
LI W，HAN C W，ZHANG T P，et al. Dynamic modeling and simulation for firing line stabilization system of self-propelled antiaircraft Gun[J].Acta Armamentarii，2013，34（10）：1201-1208. (in Chinese)
[11] 姜俊峰，李伟，赵维，等.船载转塔装置随动系统动力学建模与仿真[J].兵工学报，2019，40（4）：829-836.
JIANG J F，LI W，ZHAO W，et al.Dynamic modeling and simulation of servo system for ship-borne turret equipment[J].Acta Armamentarii，2019，40（4）：829-836.(in Chinese)
[12] 李伟，姜俊峰，任海波，等.行进间火炮指向稳定跟踪系统建模与控制[J].兵工学报，2018，39(8):1479-1490.
LI W，JIANG J F，REN H B，et al.Modeling and control of pointing-stabilizing-tracking system for marching guns[J].Acta Armamentarii，2018，39(8):1479-1490.(in Chinese)
[13] 鲁尽义. 率陀螺应用方法研究[J]. 测控与通信，2006， 30（3）： 1-11.
LU J Y.Research on application method of rate gyroscope[J]. Journal of Measurement，Control and Ommunication，2006， 30（3）： 1-11.(in Chinese)
[14] 田志祥.自由漂浮空间机器人多体动力学及目标捕获研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
TIAN Z X.Research on mutibody dynamics and target capituring for free-floating space robot[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2011. (in Chinese)
[15] 张新华，刘源，黄建，等.非线性因素耦合下电动作动器的动力学建模与仿真研究[J].导航定位与授时，2017，4(3):101- 106.
ZHANG X H，LIU Y，HUANG J，et al. Dyanamic modeling and simulaiton of EMA coupled with nonlinear ractor[J].Navigation Positioning and Timing，2017，4(3):101-106.(in Chinese)
[16] 崔凤鸣.雷达伺服系统非线性动力学仿真[D].西安：西安电子科技大学，2010.
CUI F M. Nonlinear dynamics simulation of radar servo system[D].Xi'an：Xi'an Universitoy of Electronic Science and Technology，2010. (in Chinese)
[17] 赵二陇.舰炮炮位速度稳定瞄准系统的探讨[J].舰船科学技术，1985（10）：72-80.
ZHAO E L.Discussion on stable targeting system of naval gun position[J].Ship Science and Technology，1985（10）：72-80.(in Chinese)
[18] 李长红，陈超波，边党伟，等.基于上位机的永磁同步电机控制系统设计[J].电力电子技术，2014，48（10）：37-39.
LI C H，CHEN C B，BIAN D W，et al.Design of permanent magnet synchronous motor control system based on host computer[J].Power Electronics，2014，48（10）：37-39.(in Chinese)

[1]	罗中峰，管小荣，徐诚. 面向弹丸炮口状态的自行火炮结构参数全局灵敏度[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 254-267.
[2]	李伟，杨刚，陈腾飞，韩崇伟. 某全闭环操瞄系统的火炮身管指向控制研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(9): 1811-1818.
[3]	羊柳，钱林方，丁晟春，徐亚栋. 基于本体和知识组件的自行火炮设计知识表示技术[J]. 兵工学报, 2015, 36(7): 1160-1166.
[4]	羊柳，钱林方，丁晟春，尹强. 面向自行火炮变型设计问题的混合案例推理技术研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(11): 2190-2195.
[5]	张卫民，梁建奇，马红卫，王彤，武智晖. 自行火炮自动直瞄控制方法研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(1): 182-186.
[6]	王宝元, 刘朋科, 衡刚, 邵小军, 喻华萨, 吴会民. 自行火炮固有频率特性实验研究[J]. 兵工学报, 2011, 32(11): 1315-1319.
[7]	王宝元，刘朋科，衡刚，周发明，杨东，李明涛. 自行火炮工作模态分析试验技术[J]. 兵工学报, 2009, 30(7): 853-856.
[8]	狄长春，杜中华，吴大林. 基于座椅系统虚拟样机的自行火炮行驶平顺性统计评估[J]. 兵工学报, 2009, 30(4): 442-445.
[9]	易当祥，刘春和，吕国志，李新俊. 自行火炮行动系统关重件的疲劳寿命仿真[J]. 兵工学报, 2007, 28(2): 138-143.
[10]	吴大林，马吉胜，蔡树新，张亚欧. 基于虚拟样机的自行火炮行驶平顺性仿真研究[J]. 兵工学报, 2006, 27(6): 970-973.
[11]	赵森，钱勇. 自行火炮半自动装填机构输弹问题研究[J]. 兵工学报, 2005, 26(5): 592-594.
[12]	1:吴瑞文;2:王兆胜. 自行火炮武器系统射击精度研究[J]. 兵工学报, 2004, 25(4): 407-409.
[13]	毛保全,穆歌. 自行火炮总体结构参数的优化设计研究[J]. 兵工学报, 2003, 24(1): 5-9.
[14]	1:冯长根;2:温波，李才葆. 自行火炮进行间设计动力学研究[J]. 兵工学报, 2002, 23(4): 457-461.
[15]	黄景德，王兴贵，王祖光. 自行火炮故障预测模糊专家系统研究[J]. 兵工学报, 2002, 23(3): 299-303.