不同型号火炮之间同步控制的仿真*

徐志祥，陈栋良

（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024）

不同型号火炮之间同步控制的仿真*

徐志祥，陈栋良

（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024）

战场上不同型号的火炮有时需要协同作战，共同打击同一目标。此时由于火炮伺服系统参数相差较大，在运行过程中会产生运动不同步的现象。针对这一问题，运用一种交叉耦合的控制方法，设计了两门火炮的同步运动控制器。这种控制器具有算法简单，功能稳定的特点。仿真实例表明，运用交叉耦合的控制方法，火炮之间的运动同步误差的最大幅值减小了0.15，约25%，效果显著，可以较好地实现多种类型火炮之间的同步控制，进而提高火炮群的整体作战效能。

火炮，伺服系统，同步控制，交叉耦合

引 言

在现代战争中多种火炮协同作战是打击各类目标的重要手段。随着信息化、数字化装备逐步在战场上亮相，目标的机动性、隐蔽性和反侦察能力也明显提高，战机稍纵即逝。因此，在现代战场上必须提高多种火炮协同作战的首次集中射击的精度，这样在战术上就能达到发现目标即摧毁目标要求，而在技术上则需要运用同步控制技术来实现。由于不同型号的火炮在性能和功能上有很大差异，在集中射击时必定会出现炮与炮之间的运动位置误差，进而影响命中目标的精度。因此，如何实现多种多门火炮的同步控制，是现代火炮控制的重要课题。目前，同步控制技术在各个领域广泛运用，其中有几种同步控制方案运用的已经比较成熟，如基于主副结构的同步控制［1］和平行结构的同步控制［2-3］。由于主副结构控制系统对干扰非常敏感，而平行结构系统则能较好地克服干扰的影响，达到同步功能的要求。本文以已实现自动控制两种类型的火炮为载体，在采取干扰补偿措施减小单炮跟踪误差的基础上，运用一种平行结构的同步控制方法实现其高精度的同步控制，提高炮兵群快速协同作战能力，更精准地打击目标。

1 火炮伺服控制及其干扰补偿控制

图1 有干扰情况下的模型

火炮的伺服系统通常是一个大惯量，变负载，强冲击的随动系统，且系统在运行时会受机械振动、传动摩擦等各种因素的影响，会产生跟踪误差，影响对目标的射击精度。因此，本节首先介绍单炮在未知干扰下的补偿控制方法。假定单门火炮在有干扰情况下的输出如图1所示。图中P（s）为火炮随动系统的开环传递函数。C（s）为伺服控制器，其作用是使θc→θr，即使火炮的跟踪误差趋于零。d为各种干扰综合，无法准确测定。则有：

现给定一个已知的控制参考模型Pm（s）和火炮准备射击目标的参数θr（这里主要考虑的是射击的方向角）。为了补偿干扰对输入和输出的影响，在这里定义一个等效的干扰d^，使输出可由下式代替。

由于未知的干扰有较高的频率增益，Pm（s）仅是一个参考模型，因此，通常应对系统进行干扰补偿Q（s），即由下式取代式（3）

图2 有干扰情况下的等效模型

因此，在干扰补偿的情况下，图1可以等效为图2。显然，从上式可知，如果取Q（s）→1，则Gq（s）→1，就有Grc（s）→Pm（s）和Gdc（s）→0。那么根据干扰补偿技术，可以在每门火炮上采用干扰评估措施，即：

2 两种火炮同步控制器的设计

由于本文所探讨的火炮不是同一类型，其性能有所区别。因此，各门火炮随动系统的参数比如粘性阻尼、摩擦系统和质量惯性等是不相同的，所以每门火炮的运动特性也不相同，进而影响集中射击的精度。在此，以两门不同火炮为例采取交叉耦合控制的方法，实现其同步要求，就是在两门火炮伺服控制器之间加同步控制器Cs（s）（可采用PID控制）和同步误差分配器K1和K2（这里K1+K2=1）以减小火炮的同步误差，力求能使 es=θc2-θc1→0，进而实现火炮间的同步功能，达到快速协同作战的要求，其结构图由图3表示。

图3 交叉耦合控制框图

由式（7）~式（10）可得火炮的同步误差为：

通过分析以上公式可知：①在理想的情况下，如果选取Q1（s）→1和Q2（s）→1，则可以得到如下结果Ger（s）=Gs1（s）=Gs2（s）→0，也就是说在规定频率范围内，Q1（s）和Q2（s）都可以趋近于1，两门火炮的同步误差将趋于零，即可实现火炮之间的同步；②Q1（s）和Q2（s）当不是单位传递函数时，Ger（s）不为零，这种情况下可以通过选择适当的同步控制器Cs（s），K1和K2来满足q（s）的频率特性，进而提高其同步功能。

3 仿真

为验证上述控制方法的效果，现利用Matlab进行仿真。在线性条件下，火炮随动系统的数学模型可由二阶常系数线性微分方程描述。由于火炮的型号不同，所以其随动系统模型参数差别也较大，现假定其传递函数为：

第1种型号火炮的参数选为ξ1=0.707，ω1=40；第2种型号火炮的参数选为ξ2=0.703，ω2=30。参考控制模型Pm（s）的参数选为ξm=0.7，ωm=35；伺服补偿控制参数选为C1（s）=C2（s）=100。

火炮装定的射击的方向角θr以单位阶跃信号模拟，假定为θr=1，而各门火炮的干扰是无法测定的，这里取百分之一的由正弦信号和余弦信号模拟（即取 d1=sin（t）/100和 d2=cos（t）/100）。

对系统进行干扰补偿 Q1（s）=Q2（s）=1 000/（s+1 000），而没有采取同步补偿即Cs（s）=0时，仿真结果见图4的细曲线。对系统进行干扰补偿Q1（s）=Q2（s）=1 000/（s+1 000），同步控制器选为 I控制Cs（s）=1 000/s，误差分配器K1=0.2时，仿真结果见图4的粗曲线，结果表明，单门火炮系统在采取干扰补偿的基础上，不采取同步补偿时，火炮间的同步误差最大幅值约为0.61；而采取同步补偿时，火炮间的同步误差最大幅值减小了0.15，见图5所示。即系统同时采取干扰补偿和同步补偿后，同步误差比原来减小了约25%。由此可知，采取本文中设计的控制方法，对消除火炮的误差有明显的效果。

图4 有干扰补偿的情况下，没有同步控制和有同步控制对比图

图5 有干扰补偿的情况下，同步误差减小趋势图

4 结论

本文探讨了在现代战场信息化的大背景下，考虑单门火炮已实现自动控制的前提下，在对单门火炮进行伺服控制和未知干扰补偿，减小跟踪误差的基础上，对两门不同型号的火炮进行同步控制。主要是研究在两门两种型号的火炮之间利用交叉耦合的控制方法进行同步控制，减小同步误差。仿真结果表明了该方法是有效的和切实可行的，可以明显地减小各种火炮之间的同步误差，有利群内多种多门火炮协同打击目标，真正发挥火炮集中射击的威力，增强火炮群的作战效能。

［1］Makinouchi S，Hayashi Y，Kamiya S.New Stage System for Step-and-Repead Scaning Stepper［J］.Transaction of the Japan Society for Precision Engineering，1992，61（12）：196-203.

［2］ Tomiauka M，Hu J S，Kamano T.Synchronization of Two Motion Control Axes under Adaptive Feedforward Control，JournalofDyanmic Systems［J］.Measurementand Control，1992，114（2）：196-203.

［3］Yang L F，ChangW H.Synchronization of Twin-Gyro Precession under Cross-Coupled Adaptive Feedforward Control［J］.Journal of Guidance，Control，and Dynamics，1996，19（3）：534-539.

［4］陈机林.火炮液压伺服系统神经网络非线性PID控制［J］.液压与气动，2005，29（3）：12-14.

［5］Zhong Q，ShiY，Mo J.A Linear Corss-Coupled Control System for High-Speed Machining［J］.Int JAdv ManufTechnol，2002（19）：558-563.

Simulation of Synchronization Control between Different Typesof Artillery

XU Zhi-xiang，CHENDong-liang
（Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

From the different types of artillery are needed to collaboratively bombard the same target in the battlefield，so as to achieve a better result.As parameters of each artillery servo loop are varied significantly，their movements are not exactly synchronized during the operation.To solve this problem，a cross-coupled control strategy is developed to shape the controller for synchronization of two artilleries.This controller is stable and easy to implement，and suitable for the control ofmore than two artilleries.The simulation results demonstrate that the error between synchronized artilleries is decreased 0.15 and 25%significantly.A satisfactory agreement between artilleries is achieved.The artilleries can be expected a better performance in battlefields once equipped with the controller proposed in the paper.Therefore the approach is a valuable reference for the control of a group of artillery.

artillery，servo system，synchronization，disturbance compensation，cross-coupled control

TP13，TJ301

A

1002-0640（2013）12-0124-03

2012-10-09

2012-11-17

国家自然科学基金资助项目（51075055）

徐志祥（1965- ），男，江西丰城人，教授。研究方向：机械电子工程。