ADAMS火炮高低控制系统设计仿真+文献综述(3)
以某型火炮为例，其高低控制系统是由高低和方向两个随动系统组成的，本文仅是对高低控制系统进行分析。本文对某型火炮高低系统采用的是速度－电流－位置三环控制结构，其中电流环和速度环构成了调速系统，速度环、电流环和位置环构成火炮高低控制系统的动力模型部分，其功能是为了放大信号，同时对工作过程的偏差进行修正，主要由执行电机、交磁放大机、机械传动等装置构成，位置环增加了控制系统的精度[2]。三环调速系统在启动时，充分利用了电机的允许过载能力；启动过程中，电流调节器给定电压为恒定最大值，让电机以最大恒加速度启动，达到了启动过程尽可能快的要求。三环调速系统要求超调量小于30%，振荡次数小于3次，响应时间小于2s。
某型火炮基本参数：
三环调速系统结构图如图2.2所示。
图2.2 高低控制系统动态结构图
2.3.1 速度环
速度环[14]是三环调速系统中的重要组成部分，通过一个速度比较器，使系统的速度平稳地达到期望值。当实际转速低于给定转速时，转速调节器输出增加，通过电流环调节使电机电流增加，从而使电机获得加速转矩，电机转速上升；当实际转速高于给定转速时，转速调节器输出减少，通过电流环调节使电机电流减少，电机因电磁转矩减小而减速。
速度环设计简图如图2.3所示，其中速度环比例系数 。
图2.3 速度环设计简图
速度环等效时间常数（1）转速滤波时间常数为（2）
速度环时间常数为：（3）
为保证稳态无静差，取h=5，则超前时间常数为：（4）
转速开环增益为：（5）比例系数为：（6）反馈系数为：（7）
因为 一般都很小,可近似的当做是一个比例环节。
2.3.2 电流环
电流环[14]是电流反馈系统，一般指的是将输出电流采用正反馈或负反馈的方式接入处理环节的方法，主要为了通过提高电流的稳定性能来提高系统的性能，使误差越来越少，使控制精度更高更准确更迅速并实现自动控制。在伺服系统中，电流环的作用是用调节电流的，以文持恒定力矩输出。
电流环简图如图2.4所示，其中电流环比例系数 。
图2.4 电流环简图
滞后时间常数为
其中 一般都很小,可近似的当做是一个比例环节。
2.3.3 交磁放大机
交磁电机放大机本质上是一台特殊结构的直流发电机。交磁放大机由于它具有过载能力大、输出电压平稳、性能稳定和工作可靠等优点，是火控系统中主选的放大原件。交磁电机放大机在运行时，经常工作在电压和电流变化的过程中。为简单起见，在进行瞬态特性分析时，认为电刷放在几何中性线上，不考虑绕组之间的互感，放大机为全部偿，磁场不饱和，输出端不接负载。在上述假设下，输出电路的空载电势随时间的变化规律为：
（16）
式中， ， ， 和 分别为控制绕组和交轴绕组的电感和电阻。
对式（1）进行拉普拉斯变换，得到交磁电机放大机的传递函数：（17）
通常情况下 << ，所以上式可简化为：（18）
设置参数，其中K=35， ，则传递函数为：（19）
2.3.4 执行电机
火控系统的执行元件主要采用直流伺服电动机[15]（通常称为执行电机）。执行电机根据交磁放大机供给的直流控制电压，带动火炮的方位部分或高低部分，把所受到的电信号转为电机轴上的角速度输出。执行电机输入为电枢电压 ，输出的是转轴角速度 （用在速度环），负载转矩 的变化为主要扰动。考虑到电机补偿是良好的，可以不计电枢反应和涡流效应，并认为电机绕组温度在瞬变过程是不变的。