坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究

坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究 坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识 研究 第31卷第8期 2010年8月 兵工学报 ACTAARMAMENTARII VoI.31No.8 Aug.2010 坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究 袁东,马晓军 (装甲兵工程学院控制工程系,北京100072) 摘要:针对系统状态估计与参数辨识问题的互逆性,建立不依赖于系统模型的扩张状态观测 器(ESO),用以实时获取系统的状态变量,在此基础上 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于协方差阵修正最小二乘法 (CVMLS)的辨识器,实现了坦克炮控系统状态变量与参数的联合估计.分析了ESO和CVMLS的 估计误差,采用条件限制动态补偿 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,进一步提高了系统的辨识精度.通过仿真分析验证了算法 的性能,为进一步开展炮控系统相关理论研究与工程实践奠定基础. 关键词:系统工程;坦克炮控系统;状态估计;参数辨识;动态补偿 中图分类号:TJ810.376文献标志码:A文章编 号:1000—1093(2010)08.1020.06 ResearchonNonlinearityStateEstimationandParameter IdentificationofTankGunControlSystem YUANDong,MAXiao—jun (DepartmentofControlEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China) Abstract:Consideredthereciprocitybetweensystemstateestimationandparameteridentification,anex— tendedstateobserver(ESO)independentfromsystemmodelwassetuptoobtainthestatevariablesin realtime.Furthermore,aparameteridentifierwasdesignedonthebasisofcovariancemodificationleast squaresalgorithm(CVMLS),SOthatthestatevariablesandparametersoftankguncontrolsystemcould beestimatedsimultaneously.TheerrorsofESOandCVMLSwereanalyzed,andthenthecondition—con— fineddynamiccompensationwasadoptedtoimprovetheidentificationprecision.Theperformanceofalgo— rithmwasverifiedbysimulation.Theresearchworklaysafoundationoffurthertheoreticalresearchand engineeringpractice. Keywords:systemengineering;tankguncontrolsystem;stateestimation;par ameteridentification;dy— namiccornpensation 炮控系统是坦克火力控制主线上的末端,其性 能好坏直接影响坦克火力的发挥?.为了提高炮 控系统的战技指标,在不断改善系统动力装置性能 的同时,需要进一步开展炮控系统相关理论的研究, 如炮控系统动态参数辨识理论,炮控系统控制策略 和炮控系统故障诊断理论等.其中,参数辨识是控 制策略工程实现的基础,同时也是系统故障诊断的 前提.传统的炮控系统参数测试一般采用静态测试 方法,这种方法需要辅助测试设备,效率低且不能跟 踪系统参数的实时变化,难以满足控制策略和在线 故障诊断研究的要求,为此需要进一步开展炮控系 统动态实时参数辨识研究. 一 般的参数辨识要求系统状态变量已知,但是 在实际炮控系统中,可直接测量的状态量很少,且测 量值往往受到噪声污染.因此,还需要根据含有噪 声的观测信息来估计系统的状态变量,这就提出了 炮控系统状态估计与参数辨识的二重问题.由于状 态估计一般是在假定系统参数已知的前提下进行 收稿13期:2009—04—22 基金项目:兵器装备预先研究项目(40405020202) 作者简介:袁东(1981一),男,博士研究生.E—mail:yuan—dong2005@163.COITI; 马晓军(1963一),男,教授,博士生导师.E—mail:maxiaojun—zgy@163.cortl 第8期坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究1O21 的,故二者又构成一组逆问题,其互逆性使得系统状 态变量和参数的联合估计成为一个复杂的非线性估 计问题. 1总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 1.1炮控系统建模与非线性分析 某型坦克炮控系统采用电流一速度双闭环控 制结构..系统被控装置包括功率放大器,炮塔 电机和坦克火炮/炮塔等,电机输出轴和火炮/炮 塔之间采用齿轮机构进行动力传递,存在着齿圈 间隙,摩擦力矩等非线性扰动,且炮塔本身的转动 惯量等参数随运行环境不断变化,它们成为制约 系统性能的重要因素,也是需要进行参数辨识的 主要对象. 根据文献[3],可建立包含各种非线性因素的 坦克炮控系统的数学模型,如图1所示.图中: K,为功率放大器参数;K.为炮塔电机电枢阻 抗系数;为电流环的反馈系数;G,GAsR分别为电 流环控制器和转速环控制器;J,J分别为电机和火 炮/炮塔折合到电机轴上的转动惯量;,分别为 电机和火炮/炮塔转速;T为摩擦非线性在坦克火 炮上的作用力矩(摩擦在炮塔电机上的作用力矩较 小,故忽略),目前工程上应用较广泛的是Stribeck 模型,其方程可描述为 Tf=[.+(T一T.)exp(一(…/tO))+ ff]sgn(?),(1) 式中:为Stribeck摩擦模型中的临界速度;T为 库仑摩擦力幅值;T为最大静摩擦幅值. 图1虑各种非线性因素的炮控系统数学模型 Fig.1Mathematicalmodeloftankguncontrolsystem 齿隙环节输出力矩模型为 ,k(0—一),0一>OL; (t)=?0,f一f?;(2) 【k(0—0+),0—0<一, 式中:2a为齿隙宽度;0,分别为电机和火炮/炮塔 角度;k为传递刚性(此处忽略阻尼系数). 根据上述分析,需要辨识的参数主要有:齿隙非 线性的参数k,,摩擦非线性的参数,B,…Tc 和电机与火炮/炮塔的转动惯量.,,.,. 1.2状态估计与参数辨识方案设计 既然参数辨识和状态估计是一组逆问题,如果 其中一者可以独立于系统模型,则状态变量与参数 的联合估计问题可迎刃而解.为此,本文引入自抗 扰控制技术,建立不依赖于系统模型的扩张状态观 测器(ESO),用以实时获取系统的状态变量,在此基 础上设计基于协方差阵修正最小二乘法(CVMLS) 的辨识器,实现系统的状态估计与参数辨识. 图1炮控系统中安装有LEM—I模块(测取电 机电枢电流),速度陀螺仪(测取火炮转速)和炮塔 电机同轴测速电机(测取电机转速),用于自动和半 自动工况下的信号采集,完成双闭环控制.本文据 此构建2个辨识子系统,即主动部分辨识子系统和 从动部分辨识子系统.辨识子系统获得的状态估计 值用作控制器的状态反馈,参数辨识结果用于修正 控制器参数,实现控制器的在线自适应调整,以提高 系统的控制性能,其结构如图2所示. 主动部分辨识子系统采用电枢电流信号作为系 图2炮控系统状态估计与参数辨识结构 Fig.2Stateestimationandparameteridentificationoftankguncontrolsystem 兵工学报第31卷 统输入,电机转速作为输出构建ESO和CVMLS.为 实现观测噪声的滤波,对观测信号实行硬件积分构 成积分型ESO.仿真 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,这种积分型ESO具有良 好的滤波性能”.从动部分输入为电机转速,输出 为火炮速度,其辨识器结构与主动部分相似.由于 主动,从动部分均为开环辨识子系统,且输入输出信 号可测,故二者可独立分析. (1)式,(2)式摩擦和齿隙模型均为分段 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数, 为了辨识方便,构建与之对应的分段状态估计与参 数辨识器.下面以>0且0—0>O/情形为例进 行分析,此时(1)式,(2)式可简化为 Tm=+(—)exp(一(一/W))+B?m,(3) r(t)=(0—0一O1.).(4) 2系统状态估计与参数辨识 2.1基于积分型ESO的炮控系统状态估计 2.1.1主动部分状态估计 根据上述方案,主动部分采用电机转速的积分 信号(即电机角度0)作为观测量,以此建立其状态 方程 ,s.=s1’ {s1=s0s0+sMs+咖sL,(5) 【y.=., 式中:?,.,为主动部分状态变量;M.为输入;Y..为 出;so=;sl=;s=id;s0=一—};s= KM. (0+)一 J;中s—’ 将主动部分的扩张状态观测器设计为 e(t)=未.(t)一Y..(t), s0 (t+1)=s0(t)+(互sl(t)一卢s0es(t)), (t+1)=.()+(曼:(t)一(6) 卢s1fal(es(t),0s1,6)), 未s2(t+1)=s2(t)一JBs2fal(es(t),0s2,6), 式中:.,卢,卢:为观测器增益;n,n:为误差幂系 数;6为线性段区间长度;fal(?)为非线性误差函数, 且 rIeI.sgn(e),IeI>6, 蹦(e,{,【6… 由(6)式获得状态量.(t),(t),(t)的估 计值.(t),..(t),曼.(t).结合(5)式可将主动部 分参数辨识问题描述为 未s:()=(f,so(t一1)s.(t)+咖s(t一1)us(t)+ .(t一1)+.(t),(7) 式中:(t)为状态估计误差引起的噪声,为了分析 方便,假定为白噪声. 2.1.2从动部分状态估计 与主动部分相似的,可建立从动部分状态方程 N0Ml, =西M.(.一u)+(f’:exp(一咖32M1)+ 咖M1M1+ML, YMoM0, (8) 式中:0,为从动部分状态变量;为输入;Y. 为输出;且M0=0;M1=;MM=;(M0=一/J; 咖Ml:一B/J;M2=一(一T)/J;咖M3=1/oJ~.; 咖=一(o+.)/l,. 进一步,对其进行线性化,可得 N0XI~I1? M1=M0(Mo一M)+M20exp(一咖M302M1)+ MIM1+咖ML+?M2exp(一M3o2M1)一 ?M3(咖M20exp(一M302M1))l, YMoXM0, (9) 式中:咖.,咖M3.分别为:,,的初始值,且= 咖M2o+?咖M2,咖M3=M30+?M3. 同理,将扩张状态观测器设计为 e(t)=曼.(t)一Y.(t), 互Mo(t+1)=M0(t)+(互M1(t)一卢M0eM(t)), 未.(t+1)=(t)+(曼(t)一 Mlfal(eM(t),0M1,), 2(t+1)=M2(t)一M2fal(eM(t),0M2,6). (10) 则可获得从动部分的状态量.(t),(t), (t)的估计值未.(t),(t),未:(t).又由主动 部分的扩张观测器可获取u(t)的估计值.(t), 则从动部分参数辨识问题为 曼(t)=.(.(t)一.(t))+ M1(t一1)曼M1(,)+ML(t一1)+ M20exp(一M30l(t))一 ?,(t一1)exp(一咖,.A2.(t)).互(t)+ ?:(t一1)exp(一咖..(t))+(t),(11) 式中:(t)为从动部分状态估计误差引起的噪声. 2.2基于CVMLS的参数辨识 炮控系统中各种非线性因素运行机理不同,待 辨识参数变化规律各异,因此要求辨识方法具有较 强的适应能力:既能一致渐进无偏的估计定常参数, 又能很好地跟踪时变参数并具有较快的收敛速度. 第8期坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究 为此,对递推最小二乘法进行改进,在协方差阵上增 加一非负定阵Q(),构成CVMLS. 将(7)式,(11)式的辨识问题描述为一般形式 (t)=()(t一1)+(),则其CVMLS递推方 程描述为 (f)=~(t-1)+()一 西(t)(t一1)), P(t)=P(t一1)一 1tPt1t+西()(一)西()… (12) 式中:(t)为(t)的估计值;P(t)为协方差阵; Q(t)为修正矩阵. 为保证算法满足上述要求,将修正矩阵设计为 Q(t)=k(I—exp(一?(t)?(t))),(13) 式中:?(t)=(t)一(t一1).考虑到计算方便, 进一步将(13)式化为 Q(箪()( ?(t)?(t) (14) 根据(7)式,(12)式,得主动部分辨识递推式 ()=.(一)+_;× ((t)一咖(f)(t一1)), Ps(t)=P(t一1)一 1tPt1t ?, +()(一)()…, (15) 式中:qts(t)=:(t);咖(t)=[x.(t)U..(t) 1];():[.(,)()()]T. 利用(15)式的辨识结果,口j得主动邵分的参数 估计值为 :;,():一; 咖s(t)咖s【t) ‘ &():一一未.(). 咖s0(t) 同样,可得从动部分的参数估计值为 )=去t?=tt;咖.+?咖.().()咖.() ():一 (t)咖.(t) 卜 t(t+t;.(),.()so() (+ t )).咖.()… 3采用动态补偿提高系统的辨识精度 系统状态估计与参数辨识采用基于积分型ESO 的状态估计器和基于CVMLS的参数辨识器实现, 其误差由二者的性能决定,现以主动部分辨识子系 统为例进行分析. 根据文献[12—13]可分析知,状态估计的稳态 误差与系统状态变量,状态变量变化率,参数和参数 变化率等因素有关;当系统激励,噪声和参数变化率 满足文献[9—10]条件时,可以证明,采用(15)式进 行参数辨识的误差与激励条件,参数变化率,状态估 计误差引起的辨识噪声等因素有关.由此可得系统 状态估计与参数辨识的误差传递关系如图3所示. 图3误差传递关系图 Fig.3Errorpropagation 图中矩形框所示变量是影响系统状态估计与参 数辨识误差的主要因素.其中,激励条件,状态变 量,状态变化率和参数变化率都由系统实际运行状 况决定.为此,可采用减小系统未知参数的方法来 提高辨识精度,即利用辨识出的参数补偿到系统的 已知部分,使观测对象的不确定性不断缩小并以此 来提高系统状态估计的精度,从而同时提高参数 辨识的精度. 以主动部分为例,对于(5)式,若已经辨识出 .,,,可有 咖so=so+so,咖s:s+咖s,sL=sL+sL, 其中,瓦,,为如,,的辨识误差. 则(5)式可记为 ,s.=sl, {=(.+.)+(+)u+(+贰),【 y.=.. (16) 将主动部分的扩张状态观测器设计为 兵工学报第31卷 es(t)=曼s0()一Ys0(t), s0 (t+1)=(f)+(星s(t)一psoe(t)), (+1)=未s1(t)+((t)一 /3s1fal(es(t),0s1,6))+ (咖s0s0+s”s(t)+咖sL), s2 (t+1)=互s2(t)-/3s2fal(es(),0s2,占). (17) 再次利用(15)式的辨识结果,可以求得此时主 动部分的参数估计值为 J(t)= k(t)=一 ()+q,,s() K(()+氟(f)) ()+(f) ()+..(,) 咖s0()+s.() 下面的问题是能否进一步迭代: s0=s0+so,s=s+s,咖sL=咖sL+sL, 并重复上述辨识过程,使观测对象的不确定性不断 缩小以获得更高的系统辨识精度呢? 对于定常参数系统,文献[7]证明了该方法的 有效性.由于炮控系统参数时变且其变化规律未 知,上述迭代过程的收敛性难以保证.为此,本文采 用条件限制迭代法,即当满足(18)式时进行迭代. E[1l(t)l1]?kll(t)l1.(18) 为保证迭代过程的收敛性,并考虑到参数辨识 的精度和跟踪能力,通过仿真实验,选取k=0.2. 4仿真分析 根据炮控系统实际参数,取输入信号为03= 2sin(t)rad/s,观测噪声为幅值小于0.2rad的白噪 声,ESO与CVMLS采样周期为1ms,参数k在t= 10S时发生一倍阶跃跳变,其它参数为定常情形,采 用图2所示模型进行仿真.仿真时采用炮控系统实 际参数作为标称值,并将其作为参数辨识数据的基 本单位unitage. 图4为主动部分状态变量,受齿隙和摩擦非线 性影响,换向过程中会出现较大的加速度波动.在 t=10s时受参数变化影响,加速度出现跳变现象. 图5为扩张状态观测器获得的主动部分状态估 计量.由图可知,状态观测器可以有效的滤除速度 信号的观测噪声,同时实时的观测出了t:10s时加 4 _. 毒2 04812162O tls (a)电机角度 (a)Motorrotaryangle 2 鼍0 一 2 t/s (h)电机角速度 (b)Motorangularvelocity 048121620 t/s (c)电机加速度 (c)Motorangularacceleration 图4主动部分状态变量 Fig.4Statevariablesofactivepart 速度的阶跃跳变,表明所设计的状态观测器具有良 好的状态估计能力. 4 0 2 048l21620 tls (a)电机角度估计值 (a)Estimationofmotorrotaryangle 2 黾. 一 2 tls (h)电机角速度估计值 (b)Estimationofmotorangularvelocity 048121620 t/s (c)电机加速度估计值 (c)Estimationofmotorangularacceleration 图5主动部分状态估计值 Fig.5Stateestimationofactivepart 图6为主动部分’,,和k等参数的辨识结果, 由图可知,参数辨识器具有较快的收敛速度,且能够 实时跟踪参数变化. 5结论 1)基于积分型ESO和CVMLS的系统状态估 计与参数辨识器,可以克服传统状态估计和参数辨 识的互逆性问题,实现时变系统状态变量和参数的 第8期坦克炮控系统非线性状态估计与参数辨识研究1025 1.5 堂1.0 {0.5? 0 岂 \ t/s (a)转动惯量辨识值 (a)hientificationofinertiamoment 4812162O t/s (b)齿隙宽度辨识值 fh1Identificati()nofbacklash t/s (c)刚性系数辨识值 (()Identificationofrigiditycoefficient 图6主动部分参数辨识值 Fig.6Parameteridentificationofactivepart 联合估计,且其运算量小,滤波性能好,收敛速度快, 并具有良好的跟踪能力. 2)采用条件限制动态补偿方法,不断缩小观测 对象的不确定性,可以提高时变系统的状态估计和 参数辨识精度. 3)依据原系统电气结构,分别构建主动部分辨 识子系统和从动部分辨识子系统,并采用分段分析 方法,有利于降低辨识对象阶次,简化研究难度,且 容易实现模块化设计. [2] [3] [4] 参考文献(References) 周启煌,单东升.坦克火力控制系统[M].北京:国防工业出 版社,2003:327—328. ZHOUQi—huang,SHANDong—sheng.Tankfirecontrolsystem [M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress,2003:327— 328.(inChinese) 袁东.坦克炮控系统数字化与控制策略研究[D]北京:装甲 兵工程学院,2008. YUANDong.Researchondigitizationandcontrolstrategyoftank guncontolsystem[D].Beijing:AcademyofArmoredForceEngi— neering,2008.(inChinese) 臧克茂,马晓军,李长兵.现代坦克炮控系统[M].北京:国防 工业出版社,2007:246—249. ZANGKe—mao,MAXiao-jun,LIChang—bing.Moderntankgun controlsystem[M].Beijing:NationalDefenseIndustryPress, 2007:246—249.(inChinese) 陈娟.伺服系统低速特性与抖动补偿研究[D].北京:中国科 [5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] [12] [13] 学院,2001. CHENJuan.Studyonthelowvelocitypropertiesandjittereom- pensationforthe8ervosystem[D].Beijing:ChineseAcademyof Sciences.2001.(inChinese) 赵国峰.一类齿隙非线性控制系统的研究[D].南京:南京理 工大学,2005. ZHAOGuo—feng.Studyonaclassofbacklashnonlinearcontrol system[D].Nanjing:NanjingUniversityofScienceandTechnolo— gY,2005.(inChinese) 黄远灿,韩京清.扩张状态观测器用于连续系统辨识[J].控制 与决策,1998,13(4):381—384. 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