一种提高电枢出口速度精度的非连续多次控制方法

1.本发明属于电磁轨道发射技术领域，具体涉及一种电磁轨道发射电枢出口速度控制方法，尤其是通过对电枢进行多次控制来提高电枢出口速度精度。


背景技术：

2.电磁轨道发射技术因电枢速度可控、出口速度高、动能大等优点成为各国学者争相研究的热点，但电枢的出口速度受到众多因素如电枢质量、充电电压、电枢受到的预紧力等的影响，如何提高电枢出口速度的精度，实现高精度发射对电磁轨道发射技术具有重要意义。
3.电磁发射过程中，电源参数的选择、电源放电时序、电枢和轨道的接触特性等都会影响电枢的出口速度，通常可以通过保证每次发射条件一致来保证电枢出口速度精度。但在发射过程中一些发射条件如电枢预紧力、装填方式等无法完全一致，且轨道随着发射次数的增加以及发射速度的变化会出现不同程度的损伤，无法保证试验条件的完全一致来保证电枢出口速度的完全一致。
4.各国学者对如何提高电枢的出口速度精度进行了一系列的研究，所提出的方法主要包括：尽量保证发射条件如电枢预紧力、装填方式的一致来保证电枢出口速度的精度；采用一定的方法如控制发射系统的脉冲电源放电时间等将放电电流调整为近似平顶波来保证电枢出口速度精度；采用一定的算法来确定脉冲电源的放电个数保证电枢出口速度精度；以及对电枢的初始位置进行优化等方法使电枢的出口速度达到一定的精度。但目前对电枢出口速度控制方法的研究大多集中于开环控制或单次控制，但电枢在发射过程中会受到各种极端条件的影响，如枢-轨接触烧蚀等，这就使得对电枢进行开环控制或单次控制无法完全满足电枢高精度发射的要求，故对电枢发射过程中的速度进行多次控制，通过电枢速度的非连续多次控制来提高电枢出口速度的精度十分必要。


技术实现要素：

5.为克服开环及单次控制对电枢出口速度的影响并不能完全满足电枢出口速度精度要求这一不足，本发明提供一种非连续多次电枢出口速度精度控制方法，该方法通过对发射过程进行多次速度检测，控制放电电源模块的放电数量和放电时间，从而提高电枢的出口速度精度，对实际的电磁发射试验电枢出口速度精度控制具有指导意义。
6.为提高电磁轨道发射系统高速发射时电枢的出口速度的精度，提出一种非连续多次控制方法，该方法包括：在电枢发射过程中，通过对pfn模块的触发数量和触发时间进行不连续多次控制，提高电枢的出口速度精度，并使用仿真试验对所提理论控制方法进行了验证。
7.所述对pfn模块触发数量和触发时间的多次控制是指当电枢在膛内的运动受到干扰时，电枢的出膛速度会偏离预期值，通过对各组pfn模块的触发数量和触发时间进行调节来改变电枢所受电流及相应的电磁力，使得电枢出口速度维持在一定范围内。采用非连续
多次控制方法可以实现对电磁轨道发射电枢出口速度的精确控制。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.一种提高电磁轨道发射电枢出口速度精度的非连续多次控制方法，对电磁轨道发射系统多组电源模块进行大于一次的放电数量和放电时间控制，建立非连续多次控制方法，所述方法包括：
10.将电磁发射电源模块按需分为1+n组，第一组电源模块为非受控模块，按预先设定的放电数量和放电时间进行触发放电，电枢开始运动，当电枢到达第一次速度检测位置时，根据检测到的速度和第二个速度检测点的预期速度，结合本专利中所提控制方法确定第二组电源模块既第一组受控电源模块的放电个数及放电时间，触发放电。同理电枢达到第二次速度检测位置时，根据第二次检测到的速度和第三次速度检测点的预期速度，确定第二组受控电源的触发放电个数和放电脑时间。依次类推，直到完成第n次速度检测及第n组受控电源放电个数和放电时间后，使得电枢出口速度达到一定的精度。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：在n次速度控制过程中，先根据预设每组受控电源模块放电数量进行计算，得到每组受控电源的放电时间，根据放电时间是否在合理时间范围内进一步确定每次控制的放电电源数量，然后结合电枢加速度来确定最终放电时间。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：在所述第n次速度控制中，第n组受控电源模块的放电个数和放电时间t
rn
采用如下公式计算所得：
[0013][0014][0015]
其中，x
rn
为第n次速度控制时实际放电电源个数；x
en
为第n次速度控制时预期放电电源个数；t
rn
为第n次速度控制时实际放电时间；t
en-1
为第n次速度控制前电枢通过上一检测点的预期时间；t
en
为第n次速度控制后电枢通过下一检测点的预期时间，当n为最后一次控制时为电枢出口时间；v
en
为第n次速度控制后电枢通过下一检测点的预期速度，当n为最后一次控制时为电枢期望出口速度；v
rn
为第n次速度检测值，a0(t)为非受控电源放电电流在时刻t对电枢产生的加速度； an(t)为第n组受控电源放电电流在时刻t对电枢产生的加速度。
[0016]
本发明技术方案的进一步改进在于：将脉冲放电电流近似为线性分段函数，其关系表达式为：
[0017][0018]
其中，k1、b1、k2、b2为根据电磁发射系统确定出的常系数；t
max
为放电电流达到峰值的时间。
[0019]
本发明技术方案的进一步改进在于：对于非连续多次控制中，第n组受控电源放电电流在时刻t对电枢产生的加速度为：
[0020][0021]
其中，p1、q1、r1、p2、q2、r2为根据电磁发射系统确定出的常系数；t
max
为放电电流达到峰值的时间。
[0022]
本发明技术方案的进一步改进在于：在n次速度控制过程中，需提前进行开环试验确定电枢通过n+1个位置的时间和速度，作为理想的电枢速度，且最后一次检测为电枢在发射器出口位置处的时间和速度。
[0023]
本发明技术方案的进一步改进在于：在速度检测模块使用磁探针来获得电枢通过测量点的速度和时间。
[0024]
由于采用了上述技术方案，本发明取得技术效果如下：
[0025]
在本技术中，通过对电磁轨道电枢发射过程进行非连续多次控制研究，提出一种电枢出口速度精度非连续多次控制方法，通过磁探针所获得电枢的速度与时间，调整各组受控电源模块的放电数量和放电时间，达到精确控制电枢出口速度目的。
附图说明
[0026]
图1是电枢发射及控制过程示意图；
[0027]
图2是发射系统速度测量控制示意图；
[0028]
图3是第一个受控电源模块的速度测量控制示意图；
[0029]
图4是脉冲电源模块电路图；
[0030]
图5是实际电流曲线及其拟合曲线；
[0031]
图6是三次速度控制示意图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
[0033]
一种提高电磁轨道发射电枢出口速度精度的非连续多次控制方法。该方法提出非连续多次控制理论方法，电枢发射及相应的控制过程如图1所示。将电磁发射系统的供电电源分为1+n组，其中第一组电源放电个数和放电时间为系统预先所设，剩余n组电源称为受控电源，其放电个数和放电时间可调，但每组电源模块放电时间不连续，共对发射系统进行1+n次测量，n次控制，系统根据控制前所测量到的电枢速度和控制后下一个检测电的预期速度对每组受控电源模块的放电个数和放电时间进行调节，最终实现n阶段速度控制。
[0034]
非连续多次控制系统使用磁探针来测量电枢速度，共2(n+1)个磁探针测量电枢在n+1个位置处的时间和速度，其测量示意图如图2所示。磁探针所测得的时间为t
c1
、t
c2
、t
c3
、
……
、t
cn
，测得的速度为v
c1
、v
c2
、v
c3
、
……
、v
cn
，n组受控电源模块的实际放电个数分别为x
r1
、x
r2
、x
r3
、
……
、x
rn
，实际放电时序分别为t
r1
、 t
r2
、t
r3
、
……
、t
rn
，n组受控电源模块控制后到下一位置的期望速度为v
e1
、v
e2
、 v
e3
、
……
、v
en
，期望时间为t
e1
、t
e2
、t
e3
、
……
、t
en
，。第n组受控电源模块的放电个数及放电时间与磁探针在第n个测量位置处测得的速度值和第n+1个测量位置处的预期速度值有关。
[0035]
图3为第一组受控电源的速度控制示意图。其中t0为第一组非受控电源预设触发时间，x1为第一个磁探针的安装位置，t1为电枢到达位置x1的时间，x2为第二个磁探针的安
装位置，t2为电枢到达位置x2的时间，x
r1
为第一组受控电源的实际触发个数，t
r1
为第一组受控电源的实际触发时间，v
e1
为电枢期望出口速度，t
e1
为电枢期望的出口时间，v
c2
为电枢实际出口速度，t
c2
为电枢实际的出口时间。通过x1、x2两个磁探针的位置和电枢到达这两个位置的时间t1、t2，并结合公式 (1)可以得到电枢在此位置处的速度v
c1
及通过此处的时间t
c1
。
[0036][0037]
第一组受控电源放电后，电枢受到电磁力作用产生加速度，其所受电磁力为：
[0038][0039]
脉冲电源模块的电路原理图如图4所示，主要包括储能电容器c，晶闸管k，电抗器l，续流二极管d，续流电阻rd及负载r，充电电压为其脉冲电流数学模型为：
[0040][0041]
其中i
max
为电流峰值， t
max
为电流峰值对应的时间，本发明采用的发射系统参数如表1所示。
[0042]
表1发射器参数
[0043][0044]
当充电电压为2500v时，其电流波形如图5所示，为简化计算，可近似为分段线性函数：
[0045][0046]
其中t
out
为电枢出口时间，电磁轨道发射系统中，电枢除受到电磁力外还受到摩擦力、空气阻力等影响，但电枢的加速度主要受到电流产生电磁力的作用，忽略其它作用力，则电枢受到的加速度为：
[0047][0048]
结合表1中的电磁发射系统参数可获得每个脉冲电源放电后对电枢产生的加速度。图2中结合式(1)在第一个位置测量点获得电枢通过该点的速度v
c1
和时间t
c1
后，由式5可获得第一组受控电源在时间t
c1
后对电枢产生的加速度a0(t)及第一组受控电源放电产生的加速度a1(t)，即电枢在第一组受控电源放电后受到的加速度为a0(t)+a1(t)，结合电枢期望的出口速度v
e1
和时间t
e1
可知，第一组受控电源的放电时间t为：
[0049][0050]
对式(6)进行求解获得t的值即为第一组受控电源的放电时间。但当t小于t
c1
时说明应增大电磁力，故应在预设的触发电源数量x
e1
的基础上增加一个放电电源数量，增大加速度a1(t)后重新对第一组受控电源的放电时间进行求解。
[0051]
对于有n次非连续控制的电磁发射器，由式(4)可知第n组受控电源放电后产生的放电电流可近似为：
[0052][0053]
故第n组受控电源放电后产生的加速度an(t)为：
[0054][0055]
故第n组受控电源的放电时间为：
[0056][0057]
其中v
en
为第n次控制后到达下一个速度检测点的期望速度，t
en
为第n次控制后到达下一个速度检测点的期望时间，a0(t)为非受控电源在t时刻产生的加速度，a1(t)为第一组受控电源在t时刻产生的加速度，an(t)为第n组受控电源在t 时刻产生的加速度。
[0058]
根据受控电源预先设定的模块数量x
en
进行放电，求解获得第n次控制电源模块放电时间后，由图1可知，第n次受控电源的放电时间t
rn
应在上一次速度检测预期时间t
en-1
之后和下一次速度检测预期时间t
en
之前，即t
en-1
≤t
rn
≤t
en
。当计算获得的第n次控制电源模块放电时间t
rn
小于上一次速度检测预期时间t
en-1
时，说明脉冲电流提供的电磁力小于电枢实际所需电磁力，应增加一个放电电源个数，即 x
rn
＝x
en
+1。当计算获得的第n次控制电源模块放电时间t
rn
大于下一次速度检测预期时间t
en
时，说明脉冲电流提供的电磁力大于电枢实际所需电磁力，应减少一个放电电源个数，即x
rn
＝x
en-1。综上，实际每组受控电源实际放电模块数量x
rn
为：
[0059]
[0060]
在对放电电源数量进行调整后，结合放电模块数量确定电枢所受到的加速度，对第一组受控电源的放电时间进行求解，最终得到每组受控电源的放电个数和放电时间。
[0061]
实施例1
[0062]
以三次速度控制为例，其速度检测及控制示意图如图6所示。将12个充电电压为2500v的电源模块分为4组放电。第一组电源为非受控电源，包括6个电源模块，按预设时间进行放电；第二、三、四组电源为受控电源，每组包括2 个电源模块，每组电源的放电模块数量和放电时间均可调；并有3个充电电压为2500v的电源模块备用。
[0063]
2m长的轨道上使用8个磁探针检测电枢实际通过0.3m、0.6m、1.0m和2.0m 四个位置处的时间t
c1
、t
c2
、t
c3
、t
c4
和速度v
c1
、v
c2
、v
c3
、v
c4
。预期通过0.6m、1.0m 和2.0m处电枢的时间为t
e1
、t
e2
、t
e3
，预期速度为v
e1
、v
e2
、v
e3
。第二、三、四三组受控电源的实际放电个数为x
r1
、x
r2
、x
r3
，实际放电时间为t
r1
、t
r2
、t
r3
。
[0064]
电枢质量为8.2g，初始正压力为1000n，电枢初始位置为0.1m，结合表1 中的试验参数进行开环试验，第一组6个电源模块在0ms时放电，第二组两个电源模块在1.0ms时放电，第三组2个电源模块在1.4ms时放电，第四组2个电源模块在1.8ms时放电，得到通过0.6m、1.1m和2.0m处电枢的预期时间为 t
e1
＝1.320ms、t
e2
＝1.713ms、t
e3
＝2.384ms，预期速度为v
e1
＝870.7m/s、v
e2
＝1168.8m/s、 v
e3
＝1660.3m/s。
[0065]
由于12个脉冲电源模块的电流参数及轨道负载等参数完全一致，故每个脉冲电源产生的脉冲电流及脉冲加速度一致，结合式(4)和电路参数可得单个脉冲电源得放电电流为：
[0066][0067]
由式(5)可知，单个脉冲电源获得的加速度为：
[0068][0069]
改变仿真系统中电枢所受初始压力作为实验干扰，改变电枢所受初始压力为3000n，其出口速度为1631.1m/s，对应的电枢出口速度精度基于公式(13) 计算获得为-1.8％。
[0070][0071]
其中，vo为电枢出口速度，为电枢出口速度的平均值。
[0072]
以电枢压力3000n为例对电枢速度进行非连续多次控制试验：第一组6个模块在零时刻放电，在0.3m位置处得到速度为565.0m/s，时间为0.947ms。由式(12)可知第一组电源模块0.947ms后的加速度为：a0(t)＝106×
(6.66t
2-43.69t+71.63)，电枢到达0.6m处的期望时间为1.320ms，在此之前第二组电源模块放电电流处于上升阶段，此时第二组电源模块产生的加速度为：a1(t)＝106×
1.78t2,到达0.6m处的期望速度为870.7m/s，由式(9)可知有：
[0073][0074]
使用matlab对其求解可得到受控电源放电时间为0.902ms，在速度检测预期时间
之后和下一次速度检测预期时间之前，故电源模块放电数量不需要调整，第一组受控电源在0.902ms触发放电。在第一组受控电源放电后，在第二个检测位置0.6m处进行检测，速度为885.7m/s，时间为1.362ms，在0.6m位置之后的加速度为：
[0075][0076]
电枢在1.0m处的期望速度为1168.8m/s，期望时间为1.713ms，由式(9) 可知：
[0077][0078]
使用matlab对其求解可得到受控电源放电时间为1.389ms，在速度检测预期时间之后和下一次速度检测预期时间之前，故电源模块放电数量不需要调整，第二组受控电源在1.389ms触发放电。在第二组受控电源放电后，在第三个检测位置1.0m处进行检测，速度为1171.2m/s，时间为1.751ms，在1.0m位置之后的加速度为：
[0079][0080]
电枢在2.0m处的期望速度为1660.3m/s，期望时间为2.384ms，由式(9) 可知：
[0081][0082]
使用matlab对其求解可得到受控电源放电时间为1.710ms，在速度检测预期时间之后和下一次速度检测预期时间之前，故电源模块放电数量不需要调整，第三组受控电源在1.710ms触发放电。在第三组受控电源放电后，在第四个检测位置2.0m处进行检测，速度为1655.8m/s，第四个检测位置即为发射器出口位置，即出口速度为1655.8m/s，出口时间为2.417ms。其出口速度精度由式(13) 计算可知为-0.2％。相比于开环控制的-1.8％提高了1.6％，验证了文中所提非连续多次控制方法的有效性。
[0083]
以上所述的实施例仅对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做
出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。