CN103115525A - 基于半主动平衡的集成控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半主动平衡的集成控制***，所述***包括机械弹簧、动力液压缸、速度陀螺、DSP控制器。其中机械弹簧用于补偿部分身管不平衡力；动力液压缸用于实现***未平衡力及外部扰动的平衡补偿，同时用于身管的高精度定位控制；两个压力传感器用于检测动力液压缸上下腔的压力差，结合伺服控制部分构建压力控制环节；旋转变压器用于测量身管相对于载体的位置；速度陀螺用于测量身管的调转速度，为高精度、快速定位控制提供速度信息；DSP控制器根据压力传感器、旋转变压器、速度陀螺所测量的数值实时的计算出控制量，以实现身管的高精度定位控制。本发明可广泛应用于火炮身管或类似结构机构的快速、精确、平稳控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制***，特别是一种基于半主动平衡的集成控制***。
背景技术
火炮身管本质上可视作在空间内做往复回转的机械臂，要求具有快速、精确、平稳的运动。随着武器装备***的发展及军事打击能力要求的提高，火炮身管的口径及长径比不断增加，并且对其轻量化及高度自动化要求也逐步提高。目前，火炮身管在运动过程中由自重及大惯性力等扰动产生的非平衡作用严重恶化了火炮动态性能，成为制约其性能进一步提高的关键问题。
为了克服火炮身管在运动过程中由自重及大惯性力等扰动产生的非平衡力对火炮动态性能的影响，目前采用的方法主要可分为两类：配重平衡及平衡机平衡。
配重平衡法主要通过配置与身管重量等相当的质量块实现***平衡。该方法简单易行，但其不足也很明显：1）往往所需的配重质量较大，难以满足***轻量化要求；2）该被动平衡方法难以适应外部扰动及身管调转时引起的非平衡力的变化。
基于平衡机的配平方法主要通过外部配置机械储能结构进行***平衡。该类方法可以实现***轻量化要求，在实际工程中得到了广泛的应用。但仍存在着诸多固有缺陷，主要可归纳为：1）由于需要额外配置机械结构，导致该类***的结构尺寸较大；2）该类平衡机的运动带宽与身管所需的运动带宽一般难以完全匹配，易于形成迟滞过平衡现象；3）难以实现任意工况下(尤其对于大角度范围运动)的实时自适应平衡要求；4）复杂工况下，基于平衡机平衡的身管在复杂未平衡力的激励及各连接部件复杂接触作用下，将诱发复杂非线性动力学行为，会恶化身管定位运动性能，甚至引起***的失稳。
总之，传统配平方法所存在的固有缺陷制约了火炮性能的发展。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于半主动平衡的集成控制***。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于半主动平衡的集成控制***，包括速度陀螺、动力液压缸、压力控制阀、机械弹簧、旋转变压器、上下腔压力传感器和DSP控制器，所述速度陀螺设置在火炮身管上，动力液压缸与身管在火炮身管的轴线处铰接，压力控制阀设置在动力液压缸上，机械弹簧与身管在火炮身管的轴线处铰接，旋转变压器设置在火炮身管的耳轴上，上下腔压力传感器的数量为两个，该两个传感器分别设置在动力液压缸的上下腔；
所述速度陀螺、压力控制阀、旋转变压器和上下腔压力传感器均与DSP控制器相连接，其中速度陀螺将检测到的火炮身管速度信息传输给DSP控制器，旋转变压器将检测到的火炮身管相对于载体的位置传输给DSP控制器，上下腔压力传感器将检测到的上下腔压力差传输给DSP控制器，DSP控制器将控制量传输给压力控制阀，控制其输出压力。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：1）本发明采用简单的机械结构及液压伺服驱动，可有效实现调炮***的轻量化要求；2）采用机械式弹簧结构进行非平衡力的部分补偿可大幅降低液压***所需的输出驱动功率；3）采用液压伺服***进行配衡操作可实现身管的实时自适应平衡要求，提高调炮过程对复杂工况的适应性及稳定性；4）采用DSP控制器及动力液压缸实现身管的平衡补偿及精确定位的集成作用，可从硬件上减少驱动源数量，有效降低***成本。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于半主动平衡的集成控制***机械结构图。
图2为本发明基于半主动平衡的集成控制***方框图。
图中标号所代表的含义为：1—速度陀螺，2—动力液压缸，3—压力控制阀，4—机械弹簧，5—旋转变压器，6—上下腔压力传感器。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明的一种基于半主动平衡的集成控制***，包括速度陀螺1、动力液压缸2、压力控制阀3、机械弹簧4、旋转变压器5、上下腔压力传感器6和DSP控制器，所述速度陀螺1设置在火炮身管上，动力液压缸2与身管在火炮身管的轴线处铰接，压力控制阀3设置在动力液压缸2上，机械弹簧4与身管在火炮身管的轴线处铰接，旋转变压器5设置在火炮身管的耳轴上，上下腔压力传感器6的数量为两个，该两个传感器分别设置在动力液压缸2的上下腔；
所述速度陀螺1、压力控制阀3、旋转变压器5和上下腔压力传感器6均与DSP控制器相连接，其中速度陀螺1将检测到的火炮身管速度信息传输给DSP控制器，旋转变压器5将检测到的火炮身管相对于载体的位置传输给DSP控制器，上下腔压力传感器6将检测到的上下腔压力差传输给DSP控制器，DSP控制器将控制量传输给压力控制阀3，控制其输出压力。
速度陀螺1为液浮陀螺。旋转变压器5为中国电子科技集团公司第二十一研究所J70XFS011型旋转变压器。上下腔压力传感器6的型号均为哈维公司DT1V-250型压力传感器。DSP控制器的型号为TI公司TMS320F38335。
本发明基于半主动平衡的集成调炮方法，在满足带宽匹配的条件下，采用机械弹簧结构实现身管不平衡力的部分被动补偿；采用DSP控制器及动力液压缸实现***内未平衡力及外部扰动未平衡力的平衡补偿，同时用于身管空间精确运动控制，以实现集成调炮控制。本发明可以实现火炮身管或类似结构机构（如长杆机械臂）的快速、精确、平稳控制。
具体而言，本发明的基于半主动平衡的集成控制***，由机械弹簧、动力液压缸、身管、压力传感器、旋转变压器、速度陀螺、DSP控制器组成。机械弹簧用于补偿部分身管不平衡力；动力液压缸实现***未平衡力及外部扰动的平衡补偿，同时用于身管的高精度定位控制；压力传感器用于检测动力液压缸上下腔的压力差，结合伺服控制部分构建压力控制环节；旋转变压器用于测量身管相对于载体的位置；速度陀螺用于测量身管的调转速度，为高精度、快速定位控制提供速度信息；DSP控制器根据压力传感器、旋转变压器、速度陀螺所测量的数值实时的计算出控制量，以实现身管的高精度定位控制。
本发明在满足带宽匹配的条件下，采用机械弹簧结构实现身管不平衡力的部分被动补偿；采用DSP控制器及动力液压缸实现***内未平衡力及外部扰动未平衡力的平衡补偿，同时用于身管空间精确运动控制，以实现集成调炮控制。
所述基于半主动平衡的集成控制***原理为：将上位机发送的给定位置与旋转变压器测量出的火炮负载的实际位置输入到平衡稳定控制器，平衡稳定控制器计算出给定位置与实际位置之间的位置误差，根据位置误差和速度陀螺测量的速度信息利用智能PID控制算法计算出给定压力；将给定压力和压力传感器测量出的上下腔压力差输入到压力控制器，压力控制器计算出给定压力与上下腔压力差之间的压力误差，根据压力误差利用智能PID控制算法计算出控制量；将控制量作用于压力控制阀，以控制输出到动力液压缸的液压油的流量和方向，从而控制动力液压缸活塞杆的运动速度和方向；动力液压缸活塞杆驱动火炮负载进行调炮操作；压力传感器和旋转变压器用于测量上下腔压力差和火炮负载实际位置，以构成压力闭环和位置闭环；速度陀螺为高精度定位控制提供速度信息；机械弹簧用于补偿部分身管不平衡力。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例：
基于半主动平衡的集成控制***由机械弹簧、动力液压缸、身管、压力传感器、旋转变压器、速度陀螺、DSP控制模块等组成。
基于半主动平衡的集成控制***具体技术指标如下：
1．***工作电压：直流（28±4）V；
2．液压伺服***最大输出流量：20L/min；
3．液压伺服***最大工作压力：6.2MPa；
4．速度陀螺测速范围：（-50～+50）°/s；
5．速度陀螺分辨率：≤0.001°/s；
6．旋转变压器测量精度：0.0915mil；
7．压力传感器测压范围：0～25MPa；
8．压力传感器测量精度：±0.1%Fs；
9．动力液压缸最大工作压力：10MPa；
10．调转精度：≤0.5mil。
由上可知，本发明可应用于火炮身管的快速、精确、平稳控制。
Claims (5)
1.一种基于半主动平衡的集成控制***，其特征在于，包括速度陀螺[1]、动力液压缸[2]、压力控制阀[3]、机械弹簧[4]、旋转变压器[5]、上下腔压力传感器[6]和DSP控制器，所述速度陀螺[1]设置在火炮身管上，动力液压缸[2]与身管在火炮身管的轴线处铰接，压力控制阀[3]设置在动力液压缸[2]上，机械弹簧[4]与身管在火炮身管的轴线处铰接，旋转变压器[5]设置在火炮身管的耳轴上，上下腔压力传感器[6]的数量为两个，该两个传感器分别设置在动力液压缸[2]的上下腔；
所述速度陀螺[1]、压力控制阀[3]、旋转变压器[5]和上下腔压力传感器[6]均与DSP控制器相连接，其中速度陀螺[1]将检测到的火炮身管速度信息传输给DSP控制器，旋转变压器[5]将检测到的火炮身管相对于载体的位置传输给DSP控制器，上下腔压力传感器[6]将检测到的上下腔压力差传输给DSP控制器，DSP控制器将控制量传输给压力控制阀[3]，控制其输出压力。
2.根据权利要求1所述的基于半主动平衡的集成控制***，其特征在于，速度陀螺[1]为液浮陀螺。
3.根据权利要求1所述的基于半主动平衡的集成控制***，其特征在于，旋转变压器[5]的型号为中国电子科技集团公司第二十一研究所J70XFS011型旋转变压器。
4.根据权利要求1所述的基于半主动平衡的集成控制***，其特征在于，上下腔压力传感器[6]的型号均为哈维公司DT1V-250型压力传感器。
5.根据权利要求1所述的基于半主动平衡的集成控制***，其特征在于，DSP控制器的型号为TI公司TMS320F38335。
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