【摘要】：高壓氣動彈射技術(shù)以具有瞬間膨脹性強、功率密度大等特性的壓縮空氣為工作介質(zhì),具有功率-質(zhì)量比大、無污染、防燃、防爆、防電磁干擾、工質(zhì)溫度低、無需熱防護(hù)措施、通用性好、成本低等優(yōu)點,在導(dǎo)彈發(fā)射領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。但是氣動系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點,如強非線性、模型不確定性等,如何實現(xiàn)高壓氣動彈射過程控制仍是一個難點。本論文以高壓氣動彈射系統(tǒng)為研究對象,為實現(xiàn)系統(tǒng)彈射過程的控制,把彈射系統(tǒng)分為高壓氣動子系統(tǒng)和液壓位置控制子系統(tǒng),高壓氣動子系統(tǒng)由氣源、氣閥、氣缸等組成。液壓伺服子系統(tǒng)由活塞桿和氣閥閥芯機(jī)械連接的液壓缸、伺服閥、油源等組成,可實現(xiàn)氣閥閥芯位置的精確控制。為獲得理想氣閥通流面積,針對高壓氣動子系統(tǒng)設(shè)計了高性能位置控制策略,通過氣動控制子系統(tǒng)理論仿真得到的理想氣閥通流面積,設(shè)計了液壓位置控制子系統(tǒng)的期望指令,控制氣閥閥芯按預(yù)設(shè)的軌跡運動,實現(xiàn)了高壓氣動彈射過程的控制。本文將以實現(xiàn)高壓氣動彈射過程高精度控制為目標(biāo),以驅(qū)動氣閥閥芯運動的液壓伺服系統(tǒng)高精度運動控制研究為核心,從建立精確描述系統(tǒng)特性的非線性模型入手,利用理論分析和實驗相結(jié)合的方法,深入的研究了氣動控制策略和液壓伺服位置控制策略。(1)針對彈射系統(tǒng)高壓氣動子系統(tǒng),建立了高壓氣動系統(tǒng)完整的非線性模型,考慮到高壓氣體的性質(zhì)已偏離理想狀態(tài),采用改進(jìn)維里方程對理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行合理修正,基于修正后的氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)了較為真實的壓力動態(tài)方程。針對氣動子系統(tǒng)中的不確定性(參數(shù)不確定和不確定非線性),設(shè)計了基于誤差符號積分的氣動伺服系統(tǒng)非線性控制器,獲取氣動子系統(tǒng)的控制作用規(guī)律。此外,為了改善控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能問題,提出了預(yù)設(shè)性能控制方法,對系統(tǒng)的瞬態(tài)性能施加約束,保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能的同時,獲得了更加理想的控制作用規(guī)律。通過仿真驗證了控制器的有效性。(2)針對彈射裝置的液壓位置伺服子系統(tǒng),建立了液壓伺服系統(tǒng)完整的非線性模型。闡述了閥控液壓缸位置控制的主要問題;重點針對液壓伺服系統(tǒng)的不確定性,設(shè)計了含干擾補償?shù)姆答伔蔷�性魯棒控制策略;該控制器由有限時間干擾觀測器和基于反步法設(shè)計的非線性魯棒控制器兩部分組成,通過在線干擾估計來補償系統(tǒng)的不確定性,利用魯棒反饋來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,從而保證了高的控制精度。最后通過不同工況的對比實驗,驗證了控制器的有效性。(3)針對實驗中存在的速度信號測量噪聲問題,設(shè)計了基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的反饋非線性魯棒控制策略;通過速度狀態(tài)和干擾的在線估計及實時補償,抑制了速度信號可能引入系統(tǒng)的嚴(yán)重噪聲的同時,大大降低了系統(tǒng)不確定性對控制器控制性能的影響。(4)由于氣閥中死區(qū)的存在,驅(qū)動氣閥開閉的液壓位置伺服系統(tǒng)初始狀態(tài)是不匹配的,有可能出現(xiàn)速度或加速度過大的情況,降低驅(qū)動氣閥的液壓系統(tǒng)的位置控制精度,進(jìn)而影響導(dǎo)彈彈射的控制精度。本文針對此問題,開展基于全狀態(tài)約束的液壓系統(tǒng)的運動控制研究,基于障礙李雅普諾夫函數(shù),考慮干擾補償以及噪聲抑制,設(shè)計了系統(tǒng)全狀態(tài)約束控制策略。最后通過實驗驗證了控制策略的有效性。(5)依據(jù)實際工況設(shè)計了彈射裝置原理樣機(jī),基于相關(guān)控制問題,結(jié)合不同技術(shù)難點設(shè)計了合理的實驗方案。通過伺服系統(tǒng)控制結(jié)果以及導(dǎo)彈彈射位移、彈射末速度等結(jié)果,驗證了系統(tǒng)模型的精確性和控制策略的有效性。
【圖文】：

邐２高壓氣動彈射系統(tǒng)總體方案設(shè)計逡逑２．１引言逡逑基于高壓氣動彈射工作原理，并考慮到彈射系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，我們提出了高壓氣逡逑動彈射系統(tǒng)的總體方案，詳細(xì)地介紹了裝置的基本構(gòu)成和工作原理�；趶椛湎到y(tǒng)的載逡逑荷、尺寸和功能需求，給出了彈射裝置的主要參數(shù)的初步設(shè)計。最后，從本論文的出發(fā)逡逑點考慮，分析了彈射裝置工作過程中的主要控制技術(shù)難點，，為后續(xù)章節(jié)控制策略的研宄逡逑奠定了基礎(chǔ)。逡逑２．２總體方案設(shè)計逡逑２．２．１裝置總體方案設(shè)計和工作原理逡逑彈射系統(tǒng)發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)示意圖和原理樣機(jī)圖如圖２．１？２．２所示。逡逑

始往上運動，并以一定速度出筒，至一定高度處，導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點火；同時液壓伺服系統(tǒng)逡逑驅(qū)動氣閥快速關(guān)閉，氣缸內(nèi)的高壓氣體通過泄氣孔排出，氣體壓力迅速降低，推彈裝置逡逑由液壓制動系統(tǒng)緩沖下來，至此，整個彈射過程完成。發(fā)射裝置原理圖如圖２．３。逡逑由彈射裝置的設(shè)計原理和工作過程可知，彈射系統(tǒng)是整體上是一個開環(huán)的系統(tǒng)，為逡逑了獲得氣閥的控制作用規(guī)律，本文將整個彈射系統(tǒng)分為兩個主要部分：氣動子系統(tǒng)和液逡逑壓伺服子系統(tǒng)。氣動子系統(tǒng)主要實現(xiàn)彈射系統(tǒng)的彈射控制功能，研宄氣閥閥芯位移和彈逡逑射導(dǎo)彈位移的關(guān)系，包括氣源、氣閥和氣缸。對氣動子系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真研宄，通過設(shè)逡逑計的控制器和導(dǎo)彈期望指令仿真得到氣閥閥芯理想位移曲線，指導(dǎo)液壓伺服子系統(tǒng)期望逡逑指令的設(shè)計；液壓伺服子系統(tǒng)主要實現(xiàn)氣閥閥芯的位置控制功能，研宄氣閥閥芯和整個逡逑彈射系統(tǒng)的控制輸入的關(guān)系，包括油源、液壓伺服閥和雙出桿液壓缸。液壓位置伺服系逡逑２２逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TJ768

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本文編號：2640600