坦克炮控系统神经网络自适应滑模控制方法

坦克炮控系统神经网络自适应滑模控制方法

胡继辉;侯远龙;高强;陈宇政;童仲志

【摘要】A new method of neural network adaptive sliding mode control for tank gun control system that contains time varying and nonlinearity is presented. Based on the advantage of strong robustness of sliding mode control,adaptive approximation for system perturbation parameters and unmodeled dynamics can effectively reduce the switch gain and restrain the system chattering,which uses RBF neural network. The combinationof sliding mode control and neural network approximation can guarantee the robustness and weaken the chattering of the system.Simulation results show that the design can effectively improve the dynamic and static performance of system,which is superior to the classical control method and provides a feasible design method for the design of tank gun control system.%针对坦克炮控系统的时变性和非线性,设计一种神经网络自适应滑模控制方法.基于滑模控制强鲁棒性的优点,用RBF神经网络对系统摄动参数和未建模动态进行自适应逼近,可有效地降低切换增益,抑制系统的抖振.将滑模控制和神经网络逼近相结合,既保证了系统的鲁棒性又削弱了系统的抖振.仿真结果表明该设计能够有效地提高系统的动静态性能,优于经典的控制方法,为坦克炮控系统的设计提供了一种可行的设计方法.

【期刊名称】《火力与指挥控制》

【年(卷),期】2018(043)006

【总页数】5页(P118-121,126)

【关键词】坦克炮控系统;时变性;神经网络滑模;鲁棒性

【作者】胡继辉;侯远龙;高强;陈宇政;童仲志

【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094

【正文语种】中文

【中图分类】TJ30;TP273;TJ38

0 引言

全电式坦克炮是一种复杂的炮控伺服系统，其内部存在强本质非线性环节［1］。影响该系统的主要非线性因素有：传动装置存在的间隙，耳轴和炮管之间的摩擦以及身管质心和耳轴轴心不重合造成的非平衡力矩［2-5］。此外由于测量误差不可避免，系统的某些参数具有明显不确定性。而现如今坦克炮控系统大多被简化为线性定常系统［6］，在此基础上对其进行建模，并采用经典控制理论对其进行控制。因此，对上述非线性和时变性不能很好地补偿，控制效果也达不到预期。

滑模变结构控制对系统未建模动态具有很强的鲁棒性，对外部干扰和系统参数摄动具有不变性，因此，在非线性系统控制方面具有很大的优越性［7］。但由于滑模变结构控制的不连续开关特性，在滑模面上不可避免地产生抖振，影响系统的动静态性能，使系统产生超调；且抖振会加剧坦克炮控系统中的机械磨损，增大系统的能耗，甚至可能会引起固有振荡，影响控制系统的正常工作。RBF神经网络滑模

变结构控制将RBF神经网络逼近功能和滑模变结构控制结合起来，既保证系统对

参数摄动和外部干扰较强的鲁棒性，又能够使控制信号柔化，尽量削弱系统抖振。

文献［8］研究单纯的滑模变结构控制方法，文献［9］将模糊规则和滑膜变结构

控制相结合。都取得不错的效果，但简单滑模控制系统会存在抖振，模糊滑模控制实现的算法较为复杂。本文以坦克炮的高低向伺服系统为研究对象，对其进行建模，并对RBF神经网络滑模变结构控制律进行理论设计和数值仿真。本文提出的控制

方案为坦克炮控系统非线性补偿提供了一种理想的解决方案，且实现算法较为简单，取得了良好的控制效果。

1 坦克炮控系统结构与建模

1.1 坦克炮控系统结构

坦克炮控系统是一种典型的伺服系统，由高低向和水平向伺服系统组成。按传动方式可分为电液传动式和全电式，电液传动式是传统的炮控系统，而全电式炮控系统是当今主流的发展方向。全电式是指采用执行电机作为系统的执行机构［10］。

本文对全电式坦克炮高低向分系统进行分析研究，其结构框图如图1所示。

图1 全电式坦克炮高低向伺服系统结构图

1.2 坦克炮控系统的数学模型

本文研究的坦克炮高低向系统是采用交流伺服驱动系统，被控装置主要包括交流电机、减速装置和身管。该系统可以简化为一个二阶系统，控制器将位置误差换算成一个对应于电机理想转速的电压值，然后传递给放大器。其系统框图如图2所示。图2 坦克炮控交流伺服系统结构框图

图中：θref为参考位置输入（角度）；θ为坦克炮管高低角；u为控制电压；Ka

为放大器增益（含功率放大器）；Ea为电机电枢反电动势；R为电枢回路电阻；L 为电枢回路电感；Kt为执行电机力矩系数；Te为执行电机电磁转矩；Tf为摩擦力矩扰动；TL为负载扰动力矩（炮管非平衡力矩）；J为电机转子上的总转动惯量；B为粘性摩擦系数；wm为电机角速度；i为减速比；Ke为执行电机的反电动势系数。