一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法与流程

本发明涉及一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术：

海基弹道核导弹是国家最重要的二次核反击力量，通常被装载于战略核潜艇上，常年在水下进行战略巡航，具有隐蔽性强、生存能力强等优点。从战场生存能力和打击效率来讲，战略核潜艇相较陆基洲际导弹有较大优势，各国仍将拥有现代潜艇视作是现代海军军事力量的最基本要求，因此，历来战略核潜艇受到各国海军的高度重视。

其中，战略核潜艇中水下导弹发射井盖打开装置需要在临近导弹发射零点时控制发射井盖打开，导弹发射后控制发射井盖关闭，因此水下导弹发射井盖打开装置的跟踪精度成为潜射导弹发射成功与否的关键环节。

目前，我国潜艇水下导弹发射井盖打开装置主要采用液压系统驱动发射井盖动作，要求发射井盖在导弹弹射前开启、弹射后关闭，因此需要发射井盖的启闭平稳且时间精确，然而，现有水下导弹垂直发射井盖打开装置在随潜艇运动过程中，具有参数不确定性、负载时变性及运动强非线性，且管路上的电液换向阀频繁启闭，会造成回油管路背压过高或产生液压冲击，这些因素均会影响发射井盖开关时间精确性和运动平稳性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法，可以简化控制器的设计，同时提高系统的跟踪精度，从而使发射井盖开关动作更加平稳。

为达上述目的，一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立水下导弹发射井盖打开装置电液伺服系统的动力学模型；

步骤2，根据步骤1的动力学模型建立所述电液伺服系统的状态方程；

步骤3，根据电液伺服系统的动力学模型和状态方程，设计平整度滑模复合控制器。

进一步的，水下导弹发射井盖打开装置电液伺服系统的动力学模型包括井盖动力学模型；所述井盖动力学模型包括井盖和液压缸，液压缸的一端铰接在井盖的c点，液压缸的另一端铰接在a点，井盖的转轴铰接在b点；

根据上述动力学模型建立水下导弹发射井盖打开装置液压伺服系统中井盖动力学方程为：

进一步的，水下导弹发射井盖打开装置电液伺服系统的动力学模型还包括液压缸数学模型，所述液压缸数学模型为阀控液压缸模型，包括比例伺服阀和双出杆液压缸；液压缸流量连续性方程为：

液压缸受到的外负载力平衡方程为：

选择系统状态变量为则可得到液压缸电液伺服系统的状态方程如下所示：

y＝x1

式中，a1＝ap/m，a2＝bp/m，a3＝4βeap/vt，a4＝4βectl/vt，a5＝4βe/vt。

进一步的，步骤3中根据液压缸电液伺服系统的动力学模型和状态方程，设计平整度滑模复合控制器的方法如下：

1)、通过定义液压缸电液伺服系统控制输入以及液压缸电液伺服系统平整度输出得到平整度方程；

2)、通过定义液压缸电液伺服系统的参考信号重新定义系统状态变量，进一步得到新的系统状态方程；

3)、通过定义系统跟踪误差得到系统误差方程；

4)、依据上述系统误差方程，定义滑模面，进而得到系统控制输入u；

5)、将系统控制输入u引入方程式中，从而使系统的跟踪误差会按指数趋近于0。

进一步的，所述通过定义液压缸电液伺服系统控制输入以及液压缸电液伺服系统平整度输出得到平整度方程具体如下：

定义液压缸电液伺服系统控制输入为：y＝x1；定义液压缸电液伺服系统平整度输出为：u＝ql，由得到x及控制输入u的平整度方程如下：

由到x的方程如下：

进一步的，所述通过定义液压缸电液伺服系统的参考信号重新定义系统状态变量，进一步得到新的系统状态方程，具体如下：

定义液压缸电液伺服系统参考信号为xpr，重新定义系统状态变量如下：

因而，依据新的系统状态变量，进而得到新的系统状态方程如下：

y＝z1

式中，f＝-a1a3z2-a1a4z3-a2z3，g＝a1a5。

进一步的，所述通过定义系统跟踪误差得到系统误差方程，具体如下：

定义系统跟踪误差为：

进一步得到系统误差方程如下：

进一步的，所述依据上述系统误差方程，定义滑模面，进而得到系统控制输入u，具体如下：

定义滑模面如下所示：

s＝k0e0+k1e1+k2e2+e3

通过选择控制参数k0、k1、k2使s³+k2s²+k1s+k0＝0为赫尔维茨矩阵，进而得到如下：

所述系统控制输入u可表达为：

式中，ks为大于0的常数。

进一步的，所述将系统控制输入u引入方程式中，从而使系统的跟踪误差会按指数趋近于0，具体如下：

将系统控制输入u引入方程式中，得到：

当s＝0时，系统的跟踪误差动力学方程如下：

选择控制参数k0、k1、k2使s³+k2s²+k1s+k0＝0为赫尔维茨矩阵，即为赫尔维茨矩阵；所述液压缸电液伺服系统的跟踪误差会按指数s趋近于0。

本发明提供的一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法，将平整度设计方法嵌入滑模控制器中，相比于传统的滑模控制器，避免了对状态变量的反复求导，从而简化了控制器的设计，同时提高了系统的跟踪精度，进而提高了发射井盖开关时间的精确性以及开关动作的平稳性。

附图说明

图1为本发明中水下导弹发射井盖示意图；

图2为本发明中阀控液压缸模型示意图；

图3为平整度滑模复合控制器与常规滑模控制器液压缸位移的跟踪曲线对比图；

图4为平整度滑模复合控制器与常规滑模控制器跟踪误差的曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明中的技术方案作详细的阐述。

如图1和图2所示，一种水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立水下导弹发射井盖打开装置电液伺服系统的动力学模型；

步骤2，根据步骤1的动力学模型的建立所述电液伺服系统的状态方程；

步骤3，根据电液伺服系统的动力学模型和状态方程，设计平整度滑模复合控制器。

步骤1中水下导弹发射井盖打开装置电液伺服系统的动力学模型包括井盖动力学模型以及液压缸数学模型；

井盖动力学模型包括井盖1和液压缸2，液压缸2的一端铰接在井盖1的c点，液压缸2的另一端铰接在a点，井盖1的转轴铰接在b点；

根据上述动力学模型建立水下导弹发射井盖打开装置液压伺服系统中井盖动力学方程为：

式中，j为井盖的转动惯量，单位n·m²/(m/s²)；θ为井盖的转角，单位°；θ0为关盖状态时液压缸底部固定铰点a到井盖转轴铰点b连线与井盖之间的夹角，单位°；θ1为关盖状态时液压缸轴线与井盖之间的夹角，单位°；fg为液压缸对井盖的驱动力，单位n；g为井盖的重力，单位n；l1为液压缸底部固定铰点a到井盖转轴铰点b的距离，单位m；l2为液压缸顶部铰点c到井盖转轴铰点b的距离，单位m；l3为液压缸顶部铰点c到井盖重心d的距离，单位m；y为液压缸的长度，单位m。

液压缸数学模型建立为如图2所示的阀控液压缸模型，包括比例伺服阀和双出杆液压缸。

其中，液压缸流量连续性方程为：

式中，ctl为液压缸总泄漏系数，vt为液压缸进油腔和回油腔的总体积，βe为液压缸油液的有效体积弹性模量，ap为液压缸活塞的有效作用面积，xp为液压缸活塞杆的位移，p1为液压缸进油口的压力，ql为负载流量，pl为负载压降。

液压缸受到的外负载力平衡方程为

式中，fl为液压缸受到的外负载力，m为井盖的质量，bp为液压缸粘性阻尼系数。

选择系统状态变量为则可得到液压缸电液伺服系统的状态方程如下所示：

式中，a1＝ap/m，a2＝bp/m，a3＝4βeap/vt，a4＝4βectl/vt，a5＝4βe/vt。

步骤3，根据液压缸电液伺服系统的动力学模型和状态方程，设计平整度滑模复合控制器的方法如下：

1)、通过定义液压缸电液伺服系统控制输入以及液压缸电液伺服系统平整度输出得到平整度方程；

具体的，定义液压缸电液伺服系统控制输入为：y＝x1；定义液压缸电液伺服系统平整度输出为：u＝ql，从到x及控制输入u的平整度方程如下：

式(6)可以认为是系统状态方程(5)的逆运动学方程，由到x的方程如下：

2)、通过定义液压缸电液伺服系统的参考信号重新定义系统状态变量，进一步得到新的系统状态方程。

具体的，定义液压缸电液伺服系统参考信号为xpr，重新定义系统状态变量如下：

因而，依据新的系统状态变量，进而得到新的系统状态方程如下：

式中，f＝-a1a3z2-a1a4z3-a2z3，g＝a1a5。

3)、通过定义系统跟踪误差得到系统误差方程。

具体的，定义系统跟踪误差为：

进一步得到系统误差方程如下：

4)、依据上述系统误差方程，定义滑模面，进而得到系统控制输入u。

具体的，定义滑模面如下所示：

s＝k0e0+k1e1+k2e2+e3(11)

通过选择控制参数k0、k1、k2使s³+k2s²+k1s+k0＝0为赫尔维茨矩阵，进而得到如下：

因而，所述系统控制输入u可表达为：

式中，ks为大于0的常数。

5)、将系统控制输入u引入方程式中，从而使系统的跟踪误差会按指数趋近于0。

具体如下：将系统控制输入u(13)引入方程式(12)中，得到：

因此，s在有限时间内趋近于0。

当s＝0时，系统的跟踪误差动力学方程如下：

选择控制参数k0、k1、k2使s³+k2s²+k1s+k0＝0为赫尔维茨矩阵，即为赫尔维茨矩阵；因此，液压缸电液伺服系统的跟踪误差会按指数趋近于0。

由于在式(13)中的系统控制输入u需要而现有控制方法所使用的模拟量均是通过液压缸中的位移传感器测量得到，而位移传感器所测量的信号具有测量噪声，如果在设计时对位移传感器反馈信号再进行微分，就会放大位移传感器的测量噪声，从而降低控制器跟踪精度。本申请中，可依据式(7)得到，有效避免了对位移传感器测量信号的求导，因此消除了放大测量噪声对跟踪精度的影响，大大提高了本系统的跟踪精度，从而提高了发射井盖开关时间的精确性以及开关动作的平稳性。

现根据具体实施例对本申请提供的水下导弹发射井盖平整度滑模复合控制方法与常规滑膜控制方法进行对比实验。

选取以下参数对系统进行建模：

井盖质量m＝350kg；油液有效体积弹性模量βe＝1x10⁹n/m²；液压缸泄露系数ctm＝9×10^-13m³/s·pa；液压缸有效作用面积a2＝1.88×10^-3m²；液压缸总容积v＝2.5×10^-3m²。选择常规滑模控制器的增益为：k0＝2000、k1＝10000、k2＝1300、ks＝2；平整度滑模控制器的增益为：k0＝4000、k1＝16000、k2＝2300、ks＝3。

分别对不同控制方法下的液压缸位移以及跟踪误差进行测量，测量结果如图3和图4所示。由图4可以看出，本发明所提出的平整度滑模复合控制器比常规滑模控制器的精度高很多。