基于AMESim与Simulink的反后坐装置结构仿真分析

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(中北大学机电工程学院， 山西太原 030051)

引言

现代战争对火炮系统的威力、机动性、快速反应能力和可靠性的要求更高。而火炮反后坐装置是火炮的关键部件之一，不仅影响火炮受力的大小和规律，还影响火炮的射速和精度，因此也对他提出了更高的要求，如实现更小的后坐阻力，更平稳的后坐运动等。

传统的火炮反后坐装置，是通过预先确定后坐制动图，而后不断的优化修正反后坐装置外形结构来改变后坐阻力规律，但由于各种随机因素的影响，实际的后坐阻力规律一般达不到理想要求，往往会出现不可控制的偏差。于存贵等[1]利用微机控制技术对反后坐装置进行阻力控制, 并通过模拟试验说明用微机控制反后坐装置实现平台阻力技术是可行的。李强等[2]提出最优控制理论，采用伺服阀成功调节控制火炮使后坐阻力减小。这些实例表明现代武器中已经开始应用控制技术于反后坐装置中。王安等[3-4]设计的自整定模糊PID控制器，比传统PID控制器控制更快速、适应性更强、控制精度更高，系统控制效果更好。刘伟等[5]用模糊PID控制算法对电液伺服系统进行实时控制，结果表明模糊PID控制比传统PID控制能更快速调节，具有较好的跟随性能和鲁棒性，但这种方法还是没有解决控制系统本身延时造成的误差。于薇等[6]在调节阀定位系统中采用灰色预测模糊PID控制算法，实现了阀门位置的更高精度和智能控制，证明灰色预测模糊PID控制相比模糊PID控制效果更好。

为了更有效的控制后坐阻力规律、减小后坐阻力，本研究根据火炮反后坐装置的工作原理,在节制杆式制退机的基础上设计了阀控反后坐装置结构，并采用AMESim和Simulink软件联合仿真[7-8]，结合灰色预测模糊PID控制算法，研究伺服阀开度大小和控制延迟时间等因素对火炮后坐阻力的影响，为火炮反后坐装置的结构设计研究提供理论参考。

1 阀控反后坐装置原理

1.1 阀控反后坐装置结构原理

火炮反后坐装置主要由制退机和复进机组成，其中制退机在整个后坐过程中起主要作用，为了研究方便，本研究只考虑后座部分。阀控反后坐装置结构如图1所示，火炮后坐时，制退杆在炮膛合力的作用下挤压工作腔的液体，使液体一部分沿节制杆与制退活塞之间形成的环形流液孔进入非工作腔；一部分沿节制杆与制退杆内腔形成的环形间隙进入复进工作腔；另一部分沿作为旁路安装在节制杆式制退机末端的辅助调节装置的伺服阀结构导入非工作腔。阀控反后坐装置中，通过调节伺服阀的开度大小，辅助调节工作腔液体的流量，实现火炮反后坐装置的后坐阻力峰值可调的作用，有效降低后坐阻力对设计精度的影响。

1.制退活塞 2.节制杆 3.制退杆 4.伺服阀图1 阀控反后坐装置结构

1.2 阀控反后坐装置控制原理

1) 系统控制原理

火炮后坐时，反后坐装置中，制退杆在炮膛合力的作用下向后运动，安装在制退杆上的位移传感器实时测得后坐位移信号，传递给数据采集卡，数据采集卡将位移信号传递给A/D转换模块的同时，还将信号存入储存器保存。A/D转换模块将数据采集卡传递的信号转化为数字量输入控制器中，经控制器处理后输出电压控制信号进入伺服阀，控制伺服阀开度大小，调节火炮后坐阻力规律，其原理如图2所示。

图2 系统控制原理

2) 控制算法原理

火炮在不同射角、装药等条件下后坐阻力差异较大，而电液系统也是一个非线性时变系统，很难用精确的数学模型来表达系统的内部规律。为克服这些问题采用灰色预测模糊控制[9]算法。

灰色预测模糊控制算法是灰色预测控制算法和模糊PID控制算法的结合。整个算法分为两大部分：一是建立灰色预测模型，其特点是可在样本量小、信息不确定的情况下建立较好的数学预测模型；二是将预测值作为模糊控制器的输入量，从而改善模糊控制本身事后计算的滞后性。

会计集中核算要处理好以下几个方面的关系：第一，处理好会计监督与财务管理之间的关系；第二，处理好原则性与灵活性之间的关系；第三，处理好会计工作与相关改革之间的配套关系；第四，处理好外在形象与工作形象之间的关系；第五，处理好上级会计核算中心与下级会计核算中心的关系；第六，处理好执行制度与完善政策之间的关系。只有处理好这六项之间的关系，才可以确保每一项会计工作的顺利开展，保证会计信息具有真实性。

本系统控制时本身存在3 ms左右的延时时间，仿真时需消除延时时间造成的影响，因此位移传感器测得的位移信号传入控制器后，先经过灰色预测处理预测出3 ms后的位移偏差和偏差变化率,之后传入模糊PID控制器进行模糊处理,计算得出控制电压值,最后输入伺服阀，控制伺服阀开口大小,调节火炮后坐阻力规律。

2 阀控后坐装置仿真建模

在AMESim软件中建立阀控反后坐装置的机械液压部分模型，在MATLAB/Simulink软件中建立系统控制部分模型，并利用AMESim软件对Simulink的接口技术，结合2个软件进行联合仿真。这样既发挥了AMESim机械液压系统仿真功能，又发挥了Simulink的数值处理功效， 优势结合， 达到其他仿真技术不可比拟的良好仿真效果。

图4 控制部分模型

按照节制杆式制退机结构工作原理，每个部分在AMESim模型中一一对应进行等效变换[10-11]：

(1) 制退机中制退杆和制退活塞是一个整体，计算质量时将其质量等效为一个质量块；

(2) 制退机是杆后坐式制退机，可以等效为类似增速缸结构，由制退杆工作腔和节制杆工作腔组成；

(3) 制退杆工作腔“主流”液体从制退活塞上进出，将制退杆工作腔等效为2个液压缸和1个可变流液孔；

(5) 将流液孔等效为可变节流阀。

阀控反后坐装置AMESim部分仿真模型如图3所示，Simulink部分如图4所示[12]。

1.液压属性标志 2.炮膛合力 3.力发生器 4.位移传感器; 5.后坐部分质量 6.制退杆工作腔 7.节制杆工作腔; 8.节制杆直径-位移曲线 9.饱和信号 10.活塞流液孔面积函数; 11.可变节流阀 12.控制信号 13.控制器 14.伺服阀; A、P.进油口 B、T.出油口图3 阀控反后坐装置仿真模型

如图3和图4 所示，火炮后坐时，位移传感器4测得后坐位移信号反馈给控制器13，同时输入控制电压信号给控制器，经灰色预测模糊处理后，实际输出信号控制伺服阀开口大小，使制退机工作腔的液体从A、P口流入，B、T口流出，最终进入制退机非工作腔。当速度传感器信号为0时，系统结束仿真。

3 仿真结果

3.1 伺服阀开度对后坐阻力的影响

阀控反后坐装置中，伺服阀作为系统的辅助调节装置，伺服阀的不同开度大小，会导致制退机工作腔经伺服阀流入非工作腔的液体流量各不相同，从而造成后坐阻力各不同。为研究伺服阀不同开度大小对后坐阻力的影响，分别取伺服阀开口为0%，20%，40%，60%，80%，100%并进行仿真，由于伺服阀是直动式液压伺服阀，阀的开口大小与控制电压呈线性比例关系，因此对应开口大小时的电压分别为0，2，4，6，8，10 V，其结果如图5所示。

图5 不同伺服阀开度时的后坐阻力

伺服阀开度为0时，阀不工作，相当于整个系统装置中没有伺服阀。对比图5中不同伺服阀开度时的曲线对比可知，有伺服阀时火炮后坐阻力峰值明显减小。同时，不同伺服阀开度时，伺服阀开度越大，开始时后坐阻力越小，后坐阻力曲线越来越平稳，但当后坐位移达到一定值后再次出现峰值，且阀开口越大后坐阻力峰值越大，由此说明伺服阀开口应取一个合适值，并非越大越好，也并非越小越好。

针对上述问题，设置如图6所示的理想控制信号曲线进行仿真，并与无伺服阀时相比，仿真结果如图7所示。

图6 控制信号

图7 有无伺服阀时的后坐阻力

由图7可知，在采用上述理想控制信号的情况下，有伺服阀时，后坐阻力明显减小，并且后坐阻力达到峰值后，在很长的一段位移内，后坐阻力曲线趋于平稳，呈马鞍状，且与图5中的曲线相比更加平稳。说明采用伺服阀结构能有效减小后坐阻力，并得到预期后坐阻力规律。

3.2 延迟时间对后坐阻力的影响

在实际控制中，火炮后坐时间很短，且变化极大，而伺服阀本身控制时有一定的延迟时间，往往无法实时精确控制，容易造成火炮毁伤。为此，考虑控制阀延迟时间对后坐阻力的影响，在采用理想控制曲线和灰色预测的基础上，取延迟时间为3，4，6，10 ms进行仿真分析，其结果如图8所示。

如图8所示，3 ms对应的曲线为系统理想状态时的曲线。对比分析图8中的不同曲线可知，有延迟时间时，延迟时间越长，后坐阻力峰值越大，后坐阻力曲线越不平稳，伺服阀控制效果越小，越难得到理想的后坐阻力规律。由3 ms和4 ms时对应的曲线可知，同时延迟时间越接近预测时间，则仿真结果越接近理想曲线，说明控制时可以通过灰色预测的方法消除控制延时造成的影响。

图8 不同延迟时间时的后坐阻力

4 结论

应用AMESim和Simulink软件对阀控反后坐装置的建模，仿真结果表明：

(1) 在火炮反后坐装置中并联加入液压伺服阀，通过调节伺服阀开度大小达到实时调节制退机工作腔的流量，减小火炮后坐阻力，得出最佳伺服阀开度，实现火炮反后坐装置的最佳后坐阻力控制；

(2) 伺服阀控制时的延迟时间会使伺服阀难以达到理想控制效果，实际实验时，可以通过灰色预测的方法调节预测时间，消除延迟时间造成的不利影响。