一种新型振动控制系统应用环状地安排为多个发射火箭推进器系统启动过程

文摘

多个发射火箭系统(高)近年来已广泛应用;振动控制在启动过程中改善其色散特性是一种有效的方法。在本文中,一种新的振动控制系统应用环状地安排推进器(AAT)高钙在发射过程中介绍和提出的原型系统。AAT的高钙的动态模型是建立基于多体系统传递矩阵法(MSTMM)。AAT LQR-PID控制法律和管理。提出了系统的仿真和实验和分析进行。结果表明,高钙的振动由提出有效地衰减控制系统。本文研究提供了一个新的想法来改善色散特性通过减少振动高的启动过程。

1。介绍

多个发射火箭系统(高)已广泛应用在世界各地由于发射速度快等优点,大发射区域,长射程,流动性好,重火力密度编织在一个短的时间。色散特性是影响其发展的重要因素之一(1]。高钙产生振动在发射过程中(当火箭移动开始,当它结束后带叶子发射管)的喷射力最后火箭和火箭之间的接触力导销和管螺旋槽。高钙的这种振动会改变态度,而发射的火箭正管,然后火箭初始扰动的影响,从而影响色散特性(2]。

最早的关于高的振动控制的研究始于“被动控制,”,这是由科克伦et al。3- - - - - -5]。他们试图抵消由于火箭弹道偏差缺陷与弹道偏差由于初始扰动通过优化系统参数。陈和赵6]讨论了火箭被动控制的物理模型和模拟结果表明,被动控制器不受初始方向的随机性影响,火箭的错误。赵和陈7]使用弹性木屐作为被动控制器和分散由于推力偏差和动态不平衡是降低。Zhang et al。8)将被动控制问题视为一个给定的轨迹规划问题可以解决一部分通过改变参数。通过司机控制方程建立了约束方法。然而,被动控制方法只适用于火箭的缺陷引起的振动,喷射力引起的振动。此外,振动响应只能控制到一定极限由于缺少能量。

随着设备的发展和技术的进步,不断的研究聚焦于活动或半活性高改善色散特性的控制。徐et al。9)研究的方位角和仰角,分别由液压马达和液压缸驱动。他们提供了一个可变刚度和阻尼动态响应控制,开关发射器系统的振动特性变化的策略。灵感来自于非线性计算转矩方法广泛应用于机器人机械手,Dokumaci et al。10)设计了一种PID反馈控制的伺服系统和应用它来启动系统。基于Dokumaci工作,李和瑞11)被认为是启动系统和伺服电机的耦合模型和改进的转矩计算方法,径向基函数神经网络算法,有效控制振动的高不确定性。然而,在这些研究有两种常见的缺点。首先,火箭的发射过程是120 ms在实际应用中当随机输入延迟液压缸和伺服系统将达到数百毫秒。控制赞扬在这些控制系统不能及时作出反应,导致这一事实的振动高钙在发射过程中不能减少这些系统。只有高的态度当未来火箭开始推出可以通过避免喷射力控制的影响。其次,高钙是一个复杂的multirigid-flexible系统在现实中,而高的动态模型用于上述研究是非常简单的,只考虑到方位和仰角刚体。因为简单的模型是远远不同于现实,也不是高的运动描述,也没有控制器的设计相信。因此,fast-reacted致动器和精确的模型是很重要的问题要考虑的振动控制在启动过程中儿童高。

推进器是一种设备,将燃烧产生的气体通过喷嘴向输出的力。响应速度快等优点,输出力大,且易于控制,广泛用于导弹制导、航天器姿态控制,卫星振动控制和修正弹的态度。李,气12)提出了一种基于逻辑的指导策略,提高低空endoatmospheric拦截器的导航性能。杨和高13]调查问题的鲁棒可靠控制航天器交会有限推力。Lim [14)设计推进器的phase-plant控制器战术卫星的姿态控制系统采用4减轻不良影响滞后切换线路。詹et al。15)短暂尝试应用了推进器控制振动引起的高钙喷射力,只考虑单一条件。顾et al。16]讨论了振动控制的高钙推进器在发射过程中简单的模拟条件下。

多体系统传递矩阵法(MSTMM) [17- - - - - -20.)是一种新的多体系统动力学方法在最近的20年里,研究多体系统动力学通过转移多体系统的状态向量之间的关系。它有优点,如不需要全球系统的动态方程,系统的低阶矩阵,编程高、精度高,适合于复杂的多体系统建模和控制器设计。王等人。21)提出了一种鲁棒控制器使用独立模态空间控制方法一般线性多体的振动主动控制问题。陈等人。22Stewart并联机构的研究模型和使用等方面的控制。荣et al。23]研究的动力学建模和分析船舶海上供给系统,设计了一种混合动力控制系统由三个PD控制器和模糊控制器补偿船舶海浪引起的相对运动。

总之,应用推进器作为致动器和建模通过MSTMM有意义的振动控制高短期发射过程。为上述目的,环状地安排的新型振动控制系统推进器(AAT)是本文设计的。本文的其余部分组织如下。AAT设计部分2。建立动态模型的高钙AAT在部分3。节4启动过程中,振动控制系统提出了AAT的高。建立了仿真系统,在部分结果进行了分析5。并给出了实验和分析6。最后,结论部分中包含7。

2。AAT的模型和设计

2.1。推进器的数学模型

推进器,只能提供大约fixed-magnitude在短期脉冲力 。然而,推进器力不连续地在实践中不能充分发挥价值。基于实验结果,推进器的连续光滑的数学模型推导出正弦曲线拟合图1。和从一开始就被认为是上升时间时间充分发挥价值和衰减时间到达结束时间,分别。和持续时间 。

2.2。AAT的设计

AAT设计如图2。被安装在一个环形基地海拔的尖端部分和推进器被安排在一个统一的顺序固定在底座上。

如图2 (b)是表示,环形基地的中心 物体固定架的标高的部分 。环形基础的物体固定框架来标示和并行 。环形基础的半径和推进器逆时针编号从1固定在底座上N(后视)图3。点的和相关的组件的应用程序n^th推进器沿着物体固定在框架之际,

然后,根据推进器力及其力矩的力量y和z方向 ,这是表示,和 ,推导出为

在这样的形式,的作用n^th推进器只有推进器力有关,而环形基础的位置是固定的工程应用。

3所示。高钙与AAT的动态建模

3.1。高钙的动态模型

后的高钙主要由机械千斤顶和车轮,汽车底盘、方位,海拔,发射管,AAT。推进器的行为只有在海拔的部分。AAT的质量是纳入高程部分和海拔高度的质量特性的变化部分由于推进器的作用被忽略了。

根据MSTMM [18),身体元素和铰链元素统一编号如图4(一)。后机械千斤顶和轮子,都视为刚体,编号为2,5,8、11、14和17。车辆底盘、方位角和仰角部分包括推进器被视为空间刚体elements19 21日和23日。发射管分为三个部分和编号为26 + 5l27 + 5l,28 + 5l分别在哪里l(l= 1,2,…,18)表示发射管的数量。身体元素26 + 5l视为空间刚体,而身体元素27 + 5l和28 + 5l在太空中被视为弹性梁横向振动。上面提到的身体元素之间的行为和他们的弹性和阻尼效应建模为平行旋转弹簧,线性弹簧和阻尼器3的方向。铰链编号为1,3,4,6,7,9,10,12、13、15、16、18、20、22、24 + 5l,25 + 5l。有8个边界结束编号为0。总之,高钙multirigid-flexible系统,由27个刚体和36个灵活的身体与各种线性弹簧,旋转弹簧和阻尼器。

3.2。整体传递矩阵和特征方程

拓扑描述了状态向量的元素之间的关系和转移方向,这是非常有用的整体MSTMM传递方程的推导。高钙的拓扑动态模型图4 (b),虚线表示“切割点。”的re are 2 more boundary ends after “cutting” the close-loop subsystem, leading a corresponding geometric relationship [19]。

使用自动扣除定理,高钙的整体传输方程可以自动根据图推导出4 (b): 与 高钙边界结束的状态向量, 整体传递矩阵,代表所有的连续自左乘转移矩阵的元素转移路径的边界元素和代表所有的连续自左乘转移矩阵的元素转移路径元素元素 。

根据边界条件,满足降低向量可以通过消除所有零元素 ,和变成了一个 方阵通过删除列与零元素相关联。最后,(5)可以写成

然后,高钙的本征频率方程

的学 可以解决上述方程。

3.3。人体动力学方程

根据MSTMM, , ,和被定义为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,分别。是一个列组成的矩阵位移(包括角向位移)表示body元素的运动状态呢 。 和第一和第二衍生品的关于时间 ,分别。

考虑基于推进器控制动作的动作,身体高度部分的动力学方程如下: 在哪里 是矩阵由AAT决定和控制位置 的控制力在y方向和在z高度的物体固定框架部分的方向 。

高钙的身体身体的其他元素的动力学方程是写成

然后,人体动力学方程可以获得高的元素安排身体动力学方程 在哪里 , ,和 分别是质量、阻尼和刚度增强系统的运营商。是位移列矩阵。

3.4。状态空间方程

高钙的增强特征向量由身体的位移和角度模式形状对应的元素本征频率并表示为 在哪里 。

根据模态转换,之际, 在哪里是广义坐标。由于灵活的身体(元素的存在 和 ),模态的顺序是无限的。使用模态叠加法,近似的高动态响应可以表示为

假设对角阻尼 和内积(15), 和高的广义协调方程可以获得使用正交性[18]: 在哪里 是k^th模态阻尼比,是k^th模态质量, 。

偏航和俯仰角速度海拔被定义为一部分和 ,分别。他们选择的控制输出 由于其影响火箭的初始影响(2]。

让

高钙的状态空间方程描述 在哪里 , , , , , , ,和 。

4所示。振动控制的设计

4.1。汉克尔模型降阶

控制器的设计,该模型应该减少,减少和汉克尔模型选择,从定量的角度描述的可控制性和可观测性。可控制性和可观测性量化的可控制性和可观测性Grammians:

对于一个稳定的系统,这两个矩阵可通过求解李雅普诺夫方程:

Grammians取决于系统状态变量的选择,而他们的产品的特征值是不变的。的j^th特征值表示为和它的平方根是汉克尔奇异值的系统。然后,一个平衡的状态空间实现 为系统 可以通过线性变换,获得的可控制性和可观测性Grammians相等和对角线,及其对角项汉克尔奇异值。MATLAB函数”balreal“可以用来计算平衡状态空间系统的实现和汉克尔奇异值。删除小汉克尔奇异值的不同状态,减少模型可以实现:

4.2。LQR-PID控制法律

由于其结构简单,易于实现,在实践中常用的PID控制。让 并考虑PID控制律 在哪里参考输入向量和吗 , ,和增益矩阵设计。

让一个新的状态变量 (24),然后一起形成一个增广系统(21)作为 在哪里 , , , ,和 。

用(21)(22)和重新安排,一个获得 在哪里

让 ;状态反馈控制系统(23)是 这可以减少二次性能成本: 在哪里 加权矩阵和状态吗 是控制加权矩阵。并通过求解代数黎卡提微分方程获得 : 对矩阵 。然后,最优增益向量 这可以很容易地解决了使用MATLAB命令”等方面。”

然后,转向PID参数

4.3。AAT的管理

PID控制律假定致动器可以不断产生所需的控制力。然而,推进器只能使用一次为一个约常数冲力提供持续的时间。如图5,如果脉冲控制的力量在一些时期 等于一个推进器,控制力可以替换为推进器,因为他们的力量产生相同的脉冲(25]。

AAT, AAT的小说管理不连续脉冲近似连续控制的力量。根据AAT的特殊安排,两个参数必须确定火灾AAT的推进器。推进器的点火时间是象征相应数量的推进器在AAT的象征是被解雇 。这些参数说明如下。

考虑脉冲控制力和推进器的合成脉冲将被解雇和大于脉冲推力器如图5。所以一个推进器将时触发 在哪里和PID法律产生的控制力,和是推进器冲击力的大小和持续时间,然后呢和是冲动的开始和结束时间计算。应该注意的是,的价值重置解雇和推进器时吗不平等的时间(31日)是满意的。

基于AAT如图的环状地安排3和力表达式(3),发射数量由冲动决定的和当不平等(31日)满足:

推进器单一使用,是否可用的推进器是应该在决定之前。如果推进器可用性的标志是1,发射数量 。如果不是,发射数量应该在如下,这有助于抑制角振动:

控制器不工作如果没有推进器中可用的搜索范围。

5。模拟

5.1。仿真系统和参数

飞机力和火箭和发射装置之间的接触力扰动的高钙的来源。的动态响应和高钙在这些干扰是专门描述(1),本文省略了。某种类型的高钙与18管作为本文中的实例,和高振动控制仿真系统在启动AAT建立如图6。AAT的推进器数量 在这篇文章中。

减少模型 变成四个州通过删除与汉克尔奇异值小于美国 。的参数选择等方面 和 。然后,PID的价值

5.2。结果与讨论

考虑推进器的数量限制,控制作用有限的时期当火箭的前乐队离开枪口开始时和结束后带叶子。设置一个火箭的点火时间是0,当火箭的前乐队离开枪口是60 ms和后方的时候带叶子炮口是118 ms。海拔的振幅合成角速度的一部分y和z方向被表示为 。的均方根值在控制时期被认为是控制系统的性能评价指标。模拟的条件列出如下。

条件1。AAT的推进器的参数N = 2000,= 10毫秒,= 3,女士= 3。任何两个连续的火箭的发射时间间隔是1秒。

条件2。AAT的推进器的参数N = 5000,= 10毫秒,= 3,女士= 3。任何两个连续的火箭的发射时间间隔是1秒。

5.2.1。分析条件1

的均方根值为每个火箭条件下控制时期1相比之下,那些没有控制在表吗1。结果表明,海拔高度的振动部分的角速度是减少2000 N-thrusters。减少的平均比例是19.32%。1号火箭的控制期间,高程部分的振动是最小的减少了41.47%,因为高仍然是1号火箭点燃之前。从表可以看出1几乎是没有效应”在8日和13日火箭控制时期,因为可用的推进器在AAT前控制中使用的控制需求。模拟角速度的海拔在2日和6日火箭发射过程中显示数据7和8,分别。

5.2.2。分析条件2

的均方根值为每个火箭条件下控制时期2相比之下,那些没有控制在表吗2。相比之下,结果条件下1,更好地控制有效性条件下完成2。减少的平均比例是31.43%,最好的一个是高46.43%。1号火箭,阈值(31日)没有达到,AAT不工作由于更高的级条件下的推进器2和高程部分的振动是小控制时期。从表可以看出2有什么影响在13日火箭的控制期间,因为同样的原因没有可用的推进器。高度参与的模拟角速度6日和14日火箭发射过程中显示数据9和10,分别。

6。实验

6.1。实验设置

根据分析部分5,选择了5000 N-thrusters AAT由于更好的仿真结果。提出了控制系统的原型图所示11。提出的系统是由信号处理(DSP)的数据,在惯性测量单元(IMU), AAT,高钙。海拔的角速度提出系统的控制输出部分,所以乌兹别克斯坦伊斯兰运动(SDI-GC7050C 1000 Hz)被选为系统中的传感器,安装在海拔的平台部分。DSP (SOM-TL6748 456 MHz)是该系统的关键。完成数据采集的功能,采样率为1000 Hz,火箭的点火,AAT的控制。角信号(包括角位移和角速度)高程测量部分的IMU发送到DSP通过RS422串口与DSP的记录。火箭点燃序列由DSP的点火信号记录在DSP。控制期间火箭点燃后,AAT的推进器将被解雇的DSP通过继电器时的振动控制DSP满足基于IMU的角信号。AAT的点火也记录在DSP。

6.2。结果与讨论

两组实验的大量的三个火箭弹,哪一个是应用没有控制,另一个与控制,进行。表3和4分别比较最大值和RMS值在控制时期。RMS值分别为第二和第三火箭39.37%和39.9%低于那些没有控制。事实证明,高的振动由提出有效减少控制系统。这项研究提供了一个新的想法来改善色散特性的振动衰减高钙在启动过程。

数据12- - - - - -14分别显示实验结果为每个火箭在发射过程中,时间轴的设置是一样的仿真结果。从图12,没有脉冲推力器解雇由于角速度不控制第一火箭更小,这与仿真结果是一致的。46推进器在62 ms数据10和13和推进器在图64 ms14。为了更好地可视化提出的振动抑制系统,实验结果在第三火箭发射过程进行了分析使用FFT和图所示15。

7所示。结论

一种新型振动控制系统AAT申请高钙在发射过程中提出了和控制有效性通过仿真和实验研究。可以得出的主要结论如下:(1)一种新型振动控制系统AAT申请高钙在发射过程中设计和建造。新安排的推进器设计并应用于振动控制的高短的启动过程。(2)AAT的控制律和管理提出了有效实现振动控制的高发射过程。条件下2高程部分的振动是由模拟平均减少了31.43%。(3)提出系统实验验证有效的大量的3火箭弹和最好的减振百分比是39.90。

数据可用性

由于法律和道德问题,尤其是第三方权利和商业机密,不提供的数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持的(没有。11972193)。

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