基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计

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1、基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计2011年l0月第39卷第19期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSOct.2011V01.39No.19DOI:10.3969/j.issn.10013881.2011.19.019基于液压马达的防空高炮随动负载仿真系统设计赫赤,董彦良2,李强,董光玲(1.中国白城兵器试验中心,吉林白城137001;2.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:简述了防空高炮随动负载仿真系统在武器系统设计定型试验中的主要用途,介绍了基于双联液压马达的负载仿真系统设计,系统组成及工作原理,建立了影响高炮随动系统性能的几种冲击

2、模型,重点研究了液压马达的选型,力矩/压力双反馈控制,无级变速比模拟系统设计等关键技术,并给出了有效的解决方法.关键词:液压马达;高炮随动系统;负载仿真;系统设计中图分类号:TJ308+8文献标识码:A文章编号:10013881(2011)190634DesignforLoadSimulationSystemofAntiaircraftGunServoSystemBasedonHydraulicMotorHEChi,DONGYanliang,LIQiang,DONGGuangling(1.ChinaBaichengOrdnanceTestCenter,BaichengJilin137001,C

3、hina;2.SchoolofMechatronicEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150001,China)Abstract:Usageofloadsimulationsystemforantiaircraftgunservosysteminweaponsystemapprovaltestwasspecified.Designofloadsimulationsystembasedonpairvanehydraulicmotor,compositionandoperationprincipleofthesyst

4、emwereintroduced.Severalimpactionmodelsforanti-aircraftgunservosystemwerebuih.Thekeytechnologiesofsimulationsystemdesign,suchaschoiceofhydraulicmotor,doublefeedbackcontrolofmomenpressure,simulationsystemdesignofinfinitevariablespeed,werestudied.Effectivesolutionsofkeytechnologieswerepresented.Keywor

5、ds:Hydraulicmotor;Anti-aircraftgunservosystem;Loadsimulation;Systemdesign在高新技术的空地一体化战争中,防空作战效能的优劣对战役的胜负有着重大的影响.近几年发生的局部战争均是从空中打击开始,因此,世界各军事强国更加注重防空武器的研制与装备.防空高炮是防空武器系统的重要组成部分,目前,受到世界先进国家重视.我国也加大了防空高炮的研发力度,近几年先后研制了多种型号的牵引式高炮和自行高炮.新型武器必须通过国家靶场的定型试验,合格后方可装备部队使用.随动系统是防空高炮武器系统的重要组成部分,其性能的优劣直接影响全系统的作战使用效果

6、.因此在定型试验中对随动系统进行全面系统的考核是保证武器系统达到设计研制要求的重要环节.随着建模与仿真技术的日益成熟,其在武器系统设计,研制及定型试验中的应用越来越广泛.国内有关火炮武器系统仿真研究多数为基于计算机的数学仿真,如利用WISE仿真软件工具开发的舰炮综合火控全数字仿真系统;有关防空高炮训练仿真方法的研究也取得一定进展,研究方向多集中在武器系统的操作使用与维护保养方面.在武器定型试验中,我国海军某部已研制出基于交流伺服电机的火炮随动负载仿真系统.以上研究主要立足于数字仿真,某些半实物仿真技术还处于研究阶段,主要用于武器系统研制阶段.作者重点研究基于双联液压马达的防空高炮随动负载仿真系

7、统设计,该系统属于半实物仿真系统,主要用于高炮随动系统设计定型试验,完成环境适应性试验,可靠性补充试验,路谱及射击力矩冲击模拟试验等试验项目,考核随动系统性能是否满足战术技术指标要求.同时,对系统设计中涉及到的关键技术进行深入系统的分析.1系统组成及工作原理1.1主要技术指标(1)惯性力矩范围:0100N?m;精度:2%FS.(2)静阻力矩范围:020N?m;精度:5%FS.(3)射击力矩收稿日期:20100902基金项目:国防科研基金资助项目作者简介:赫赤(1964一),男,满族,工学博士,高级工程师,研究方向为火炮随动系统鉴定试验技术.Email:dongyanliang163.COB.?

8、64?机床与液压第39卷频率:00.5Hz,力矩范围:0300N?rn;频率:0.550Hz,力矩范围:0100N?m;精度:2%FS.(4)射击冲击频率范围:50Hz,精度:1%.(5)路谱冲击力矩范围:020N?m,精度:5%FS.1.2系统组成防空高炮随动负载仿真系统按实际工况条件模拟火炮随动系统的静阻力矩,惯性力矩,正弦力矩和冲击力矩负载试验.试验系统采用电液伺服闭环控制技术,以双联液压马达做负载力矩模拟元件,并与控制,测试系统组成闭环控制系统,具有高精度,高频响,系统稳定,主机结构紧凑等特点.高炮随动负载仿真系统控制框图如图1所示.星重量_-1三丝卜_-1堑垫r一-一一-一一一一一一

9、一一-一一-一一-一一-一一一-一1图1负载仿真系统控制框图系统由两部分组成:其一为防空高炮随动系统(图中虚线框内),包括被试电机,随动控制箱及功率放大器等;其二为液压负载模拟部分,包括计算机,伺服控制器,液压动力系统,变速箱,扭矩传感器,传动比模拟系统,液压负载模拟系统等.图中虚线为CAN总线连接;双实线为液压管路连接;加粗实线为机械连接.1.3工作原理当所需模拟的射击,惯性,静阻,正弦力矩解算到液压负载模拟元件液压马达输入轴处,计算机发出的指令至伺服控制器,伺服控制器控制高频响电液伺服阀动作,电液伺服阀通过控制液压马达的进,出口压力和流量而控制其扭矩,从而完成负载模拟任务.控制指令在计算机

10、的虚拟面板上进行设置.系统扭矩控制指令F函数表达式如式(1)所示F=F静+F惯+F正+F冲(1)其中:F静为静阻力矩,是指定大小的恒定扭矩,其施加的方向为被试执行电机转速方向的反向阻力矩,指令动作信号取之于电机的测速系统;F惯=.,轴Ori/180为惯性力矩,其中:0为火炮随动系统加速度,.,电机轴为折算到随动系统电机轴上的转动惯量,i为火炮的传速比;F为射击冲击力矩,是具有指定幅度,宽度,频率的脉冲信号;F为正弦力矩,是具有指定幅值,周期的正弦力矩,主要用于模拟路谱对随动系统的冲击.由于惯性力矩为被试执行电机角加速度函数,其大小和方向随角加速度的加减而变化,角加速度信号取之于被试电机的测速系

11、统.控制系统采用扭矩控制方式的电液伺服闭环控制技术,每个通道均为有差闭环伺服控制系统,由信号源输出控制指令信号,与反馈信号进行比较产生一个误差信号,这个误差信号经过PID调节,送到伺服阀的驱动器上,控制伺服阀驱动液压负载模拟系统,使其按着给定指令模拟扭矩动作.整个控制过程就是调节器不断地调整驱动器的输出,使其输出信号与给定信号之间的误差最小,完成系统有差闭环伺服控制.液压负载模拟系统采用双联液压马达作负载模拟执行元件,该双联液压马达采用串联结构连接方式.根据不同的试验需求,两个液压马达可单独使用或两个复合使用,每个液压马达均安装压力传感器用于测量其出口压力.其中小功率液压马达可以模拟高射频,小

12、扭矩的冲击负载及静阻和正弦力矩,大功率液压马达可以模拟低射频,大扭矩的复合负载.2冲击仿真模型的建立防空高炮随动系统负载仿真器用在该武器系统定型试验中,除了模拟火炮回转部分惯量外,主要模拟火炮射击冲击和行进间各种路谱对武器系统作战效能的影响.其中,路谱冲击模型的建立是课题研究重点与难点之一,图2为冲击加载模型框图.图2冲击加载模型框图火炮行进间路谱冲击是通过悬挂装置,机械传动装置作用到被试武器系统驱动电机上.作者利用MATLAB建立几种典型路谱的数学模型并产生相应的模型及其功率谱序列文件,然后利用ADAMS建立路谱仿真模型.自行高炮在战术机动时,驾驶员将以一定速度行第l9期赫赤等:基于液压马达

13、的防空高炮随动负载仿真系统设计?65?驶,而该速度受地形情况和车辆行驶能力等条件制约.对于行驶在沥青和水泥路上的车辆,将受到最苛刻的振动冲击,构成最严酷的振动环境,因此,仿真过程中采用沥青和水泥材质的路面.有关射击冲击模型和路谱冲击模型建模方法,由于文章篇幅限制,作者在其他文献中做详细论述.3关键技术研究3.1液压双联马达的选型高炮随动系统负载主要由静阻力矩,惯性力矩,正弦力矩(路谱冲击)和射击冲击力矩组成,前三者属于低频大功率力矩,而射击冲击力矩还包含高频小功率力矩.如果采用单马达方式,其结果将要求液压马达具有超高的频率,超大的流量,这不但大大降低系统的性能价格比,而且在工程实现上也有一定难

14、度.仿真系统设计时,考虑采用低频大流量与高频小流量液压马达实现随动系统的负载仿真.为真实地模拟作用在被试随动系统电机轴上的冲击力矩,选择双联液压马达做负载模拟元件.其中小功率液压马达用于高射频小扭矩冲击负载试验,大功率液压马达用于低射频大扭矩的负载模拟试验.系统采用电液伺服阀控制液压马达的进,出口压力,以达到间接控制液压马达的输出扭矩.被试随动系统电机的输入功率为P=Too=2nT;液压马达的输出功率为P=pq(p为液压马达的出口压力,q为液压马达的额定流量),如忽略电机至液压马达的机械损失,则被试电机的输入功率等于液压马达的输出功率,即:2竹=pq=pVn(2)式中:q=Vn,V为液压马达的

15、排量(cm/r).由式(3)计算出液压马达的排量:(cm3/r)(3)D式中:T为负载力矩(N?m);P为液压系统额定压力(MPa),选为25MPa.3.2力告巨/压力双反馈控制为实现4种力矩的加载仿真试验,整个系统的组合控制方式共有以下3种基本模式.3.2.1小功率马达工作下的仿真试验模式小功率马达单一指令控制模式有:(1)正弦力矩负载试验;(2)惯性力矩负载试验;(3)冲击力矩负载试验;(4)静阻力矩负载试验.单一指令下的控制是最典型的单通道控制方式.现有的控制单元可在时域环境中实现上述控制.小功率马达复合指令控制模式有:(1)静阻力矩+惯性力矩负载试验;(2)静阻力矩+惯性力矩+冲击力矩

16、负载试验;(3)静阻力矩+惯性力矩+正弦力矩负载试验;(4)静阻力矩+惯性力矩+正弦力矩+冲击力矩负载试验.复合指令的组合模式相对比较多,在静阻力矩+惯性力矩负载试验模式中,由于静阻力矩是直流分量,所以这种组合的控制仍属于单一指令下的控制,可以在时域环境中实现控制.在其他力矩负载试验模式中,指令信号是一个复合量,信号中的频率成分比较复杂.在控制响应过程中,由于电液伺服系统的幅频和相频特性非线性的特点,控制再现的模拟情况失真较大.在时域中进行控制补偿,其工程实现有一定难度.为解决这一技术难题需采用频域处理技术.首先将复合指令波形进行FFr变换,分析出该指令时域中所对应的各频谱成分及分量值;其次,

17、将控制的扭矩反馈信号也进行相同的FPr变换,计算机将这两个信号的频谱成分及量值进行比对.由于控制系统的幅频特性特点,扭矩反馈信号的高频成分将产生较大的衰减,因此,必须对高频信号衰减进行有效的补偿.由于是在频域中进行处理,对各频率分量的补偿可采用线性补偿原理,解决了时域无法完成的工程技术难题.计算机将补偿后的结果,利用IFFT变换,还原成时域信号,作为新的指令送给控制系统.系统设计中将采用该方法进行误差修正,可方便地实现静阻力矩+正弦力矩+惯性力矩+冲击力矩的复合控制.3.2.2大功率马达工作下的仿真试验模式大功率马达的控制模式与小马达相同,其反馈控制信号可取自压力传感器,马达的进出口压力与扭矩

18、成正比关系,利用压力反馈也能够实现各种负载的模拟试验.3.2.3双马达工作下的仿真试验模式双马达复合工作时,大功率马达采用压力反馈,小功率马达采用扭矩反馈或利用自身的压力传感器反馈.大功率马达主要承担静阻力矩负载,惯性力矩负载或低频的正弦力矩负载试验,而小功率马达承担冲击负载,高频正弦力矩负载等试验.双马达复合工作时,两个控制器单元独立工作,信号源的指令分别控制相应的马达.双马达复合控制原理框图如图3所示.当大功率马达的控制指令1发出一个静阻力矩命令,该信号与比较器的压力传感器反馈信号进行比较输出一个误差信号,该误差信号经过数字PID调节运算后,将控制执行信号输出给阀驱动器,阀驱动器控制伺服阀

19、使大功率马达产?66?机床与液压第39卷生控制指令1比较器丽圆一所要求的扭矩.数字PID调节器卜_驱动器卜_伺服阀被试电机小功率马达压力传感器大功率马达鳓毒液压源图3双马达复合控制原理框图小功率马达的控制指令2与大马达压力传感器的输出信号相加后,作为小功率马达的控制指令,与扭矩传感器的反馈信号进行比较后产生误差信号,该误差信号经过数字PID调节运算后,将控制执行信号输出给阀驱动器,阀驱动器控制伺服阀使小功率马达产生与控制指令2的冲击信号相对应的扭矩.在同一控制系统中,利用压力和扭矩两种不同传感器分别产生各自的反馈信号,解决了双马达复合工作时,实现双反馈控制的技术难题.3.3无级变速比模拟系统设

20、计无级变速比模拟高炮随动系统运动传动到机构终端受信仪的传动比,对于不同的火炮随动系统,此比值各不相同,考虑到仿真系统的通用性,必须采用无级变速方式.传动比无级变速机构原理框图如图4所示.干姻温i控匝簖I箱受信仪l.编码器A=负载模拟系统=传动系统被试随;动系统图4传动比模拟系统原理框图受信仪与被试电机的传动比采用机电无级调速机构进行模拟.系统受信仪与交流伺服电机和编码器B同轴刚性连接.系统工作时被试电机带动负载模拟系统和编码器A同轴刚性同步转动,编码器A检测被试电机的相应转角0,并送人计算机内,计算机通过内部运算,将该值除以传动比即0i/K.,通过比较器送给交流伺服控制器以驱动交流伺服电机转动

21、.该旋转角被受信仪和编码器B同步检测,编码器B的测量值反馈至比较器与给定值进行比较,从而实现传动比模拟系统的有差闭环控制,而被试电机与受信仪的转速比值即为所要模拟的被试系统传动比.该系统具有无机械空回,无级传动比调整方便,动态频响快,精度高等特点,系统编码器A和编码器B的分辨率均为1,以保证系统的测量和定位精度.4结论高炮随动负载仿真系统设计为基于双联液压马达的自动测量控制系统,其主要目的是完成高炮随动系统的设计定型试验.依据该仿真系统的特点和工作原理,其还可用于舰载火炮随动系统仿真试验中.高炮随动负载是以各种力矩来表征的,主要包括静阻力矩,惯性力矩,正弦力矩和射击冲击力矩.文中建立了路谱冲击

22、的数学模型(正弦力矩),重点分析研究了液压双联马达的选型,力矩/压力双反馈控制,无级变速比模拟系统设计等技术难题及解决方法.力矩/压力双反馈控制解决了双马达复合控制难题,从而在工程上实现了大功率,高频响负载仿真系统设计.无级变速比模拟系统技术解决了以往随动系统负载模拟的必须专用的缺点,从根本上实现了仿真系统的通用性.实践证明:这些方法科学可行,具有良好的操作性.参考文献:【1】邢昌风,陈栋,刘高峰.舰炮火控系统反应时间与精度关系的仿真J.火力与指挥控制,2003,28(3):4245.【2】葛杨,肖海燕,舒海生,等.新型舰炮供弹系统仿真设计研究J.哈尔滨工程大学,2005,26(3):3243

23、2.【3】程健庆,顾浩,李素民.武器系统一体化综合仿真环境及仿真系统J.系统仿真,2001,13(3):337341.【4】王庆林.高炮火控系统模拟训练及综合评价系统J.火力与指挥控制,2000,25(3):5456.【5】赵玉龙,张彦斌,蒋有才,等.新型高炮随动系统训练模拟器C/第五届全国仿真器学术会议,2004:8589.【6】李刚,徐立群,陈克.舰炮随动系统负载仿真研究与实现J.火炮发射与控制,2004(3):5760.(上接第60页)证了控制系统精确定时的需要,设计了DOS下的人机交互界面,自主开发了插补及控制系统,为数控系统动态特性的研究提供了方法.并且用户可以根据需要对该系统的内部结构(如插补器,控制器等)进行调整.经过实际验证,系统能够正常运行,满足实验的需要.参考文献:【1】李斌,李培根.数控技术和装备发展趋势及对策J.机电产品开发与创新,2002(5):5558.【2】陈婵娟,刘海超.开放式数控系统软件译码模块的研究及实际开发J.机床与液压,2010,38(1):47501【3】深圳固高科技.GT系列运动控制器用户手册M.深圳:固高科技,2006.【4】刘晓斌,徐晓秋,刘胜青.CJK6132A车床闭环数控系统及其开放性研究J.四川大学:工程科学版,2001.33(3):9294.