CN111103793A - 基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置、介质、设备及火炮后坐缓冲系统，该方法包括：利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统与目标模型的误差值；目标模型为根据目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制。显然，利用本申请中的自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制时，就会有更高的控制精度。

Description

基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置

技术领域

本发明涉及系统控制领域，特别涉及一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置、介质、设备及火炮后坐缓冲系统。

背景技术

基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统，系统要求控制响应要快速、准确，在现有技术当中，一般是采用PID控制(Proportion IntegralDerivative，比例、积分、微分)来对火炮后坐缓冲控制系统进行控制，但是PID控制会引起系统响应的快速性与超调性的矛盾，同时也可能因为积分饱和、内外部扰动、模型不准确等多输入条件的不准确而导致控制系统的精确度较低。因此，如何采用一种更好的方式来对基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统进行控制，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置、介质、设备及火炮后坐缓冲系统，以提高火炮后坐缓冲系统的控制精度。其具体方案如下：

一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法，包括：

利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，所述扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中与目标模型的误差值；所述目标模型为根据所述目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

设计控制律将所述目标控制系统加入所述目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

利用所述自抗扰控制系统对所述目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

优选的，所述控制系统的微分方程表达式为：

式中，x₁＝F_MRD为所选取的第一状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器输出的阻尼力，

为x₁对时间的微分；x₂＝i为所选取的第二状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器通入的电流，

为x₂对时间的微分；v为磁流变阻尼器运动部分的向后运动速度，n为表征速度与阻尼力F_MRD第一构成项之间关系的指数函数的指数数值，a₁为F_MRD第一构成项与vⁿ的比例系数，f为电流幅值与库仑力幅值之间的非线性函数关系，th为双曲正切函数，a₃和a₄分别为F_MRD第二构成项中包含的双曲正切函数的两个系数，u_DC为给控制磁流变阻器的逆变器供电的直流电源的电压，u_control为数字控制器中的电压控制量，R为磁流变阻尼器的电阻，L为磁流变阻尼器的电感，t₃为电流产生磁场到磁流变阻尼液屈服强度达到最强的过程延时时间常数。

优选的，所述利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统的过程，包括：

利用所述自抗扰控制算法对所述目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计与补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统；其中，所述第一扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中错误的状态反馈值，所述第二扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中由于电子元器件的运行使得所述目标火炮后坐缓冲系统运行异常的干扰值。

优选的，所述利用所述自抗扰控制算法对所述目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计与补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统的过程，包括：

利用第一扩张状态观测器估计所述第一扰动因子的数值，得到第一扩张状态观测值；

利用第二扩张状态观测器估计所述第二扰动因子的数值，得到第二扩张状态观测值；

利用所述自抗扰控制算法分别对所述第一扩张状态观测值和所述第二扩张状态观测值设计相应的控制律，得到所述第一目标控制系统和所述第二目标控制系统。

优选的，所述第一扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₁₁为状态变量x₁的估计值，e为z₁₁对x₁的估计误差，z₁₂为第一扩张状态观测器对第一目标控制系统中扰动量的估计，u₁为第一自抗扰控制器的输出控制量，b₁和b₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

优选的，所述第二扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₂₁为状态变量x₂的估计，e₂为z₂₁对x₁的估计误差，z₂₂为第二扩张状态观测器对第二目标控制系统中扰动量的估计，c₁和c₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

相应的，本发明还公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制装置，包括：

扰动因子建模模块，用于利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，所述扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中与目标模型的误差值；所述目标模型为根据所述目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

系统调整模块，用于设计控制律将所述目标控制系统加入所述目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

系统控制模块，用于利用所述自抗扰控制系统对所述目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

相应的，本发明还公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前述公开的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述公开的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种火炮后坐缓冲系统，包括如前述公开的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备。

可见，在本发明中，首先是利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统与根据目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型的误差值；然后，设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；由此解决了现有技术当中由于目标火炮后坐缓冲系统的数学模型复杂、非线性度强，难以直接根据其数据模型建立反馈控制律的问题，也即，在本发明中利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的扰动因子进行实时估计与补偿，将原有目标火炮后坐缓冲系统的目标模型补偿为理想的控制模型，所以，利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制时，就会有更高的控制精度。相应的，本发明公开的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制装置、介质、设备及火炮后坐缓冲系统，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的当做功面积相同的几种后坐阻力的变化规律的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种火炮炮膛冲击力的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统总体控制方案的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统的反馈线性化系统的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统中控制量到磁流变阻尼器输出合力的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的最终的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制装置的结构图；

图10为本发明实施例提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S11：利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计与补偿，得到目标控制系统；

其中，扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统与目标模型的误差值；目标模型为根据目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

可以理解的是，在控制领域一般是依靠模型进行控制或者是通过控制论进行控制，模型论控制是依靠系统的数学模型去找控制律，而控制论是依靠系统的某些响应特征或者是过程的某些实时信息的反馈来对系统进行整体的控制。虽然，以现代控制理论为代表的控制理论在理论上严密可证，但是，在实际应用当中，因为控制对象不可避免地存在着各种不确定因素的干扰，所以，在实际应用当中应用较少。而PID控制能够不依赖被控对象的数学模型，而依靠控制目标与实际运行当中的误差来消除系统运行的误差，从而使得PID控制能够在工业领域得到广泛应用。

自抗扰控制系统是以工程控制的鲁棒性为目标的控制技术，其主要思想是以PID控制为出发点，统筹PID控制的优缺点，利用非线性机制开发一些具有特殊功能的环节，比如：跟踪器和扩张状态观测器等，并以此组合出一种新型的控制器，也即，自抗扰控制系统。自抗扰控制系统能够根据处理数据的特征自动调整系统的边界条件或者是约束条件，从而使得整个控制系统取得最佳的控制效果，换句话说，自适应控制系统是一个能够根据控制系统中变化的不确定因素进行智能调节的反馈控制系统，从而在非线性和不确定扰动作用下保持较高控制精度的系统。所以，在本实施例中，首先是利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的扰动因子进行实时估计与补偿，得到目标控制系统。

需要说明的是，目标火炮后坐缓冲系统与目标模型之间的误差值有多种，比如：电子元器件中线圈温度变化而导致电阻值发生的变化而导致的误差、电子元器件中测量值的不准确而导致的反馈误差，电子元器件数学模型拟合的不准确以及开关器件的非线性等等，所以，扰动因子可以根据实际情况的需要进行具体的估计与补偿，此处对于目标火炮后坐缓冲系统中的扰动因子的具体类型不作限定。

步骤S12：设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

步骤S13：利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

可以理解的是，在步骤S11中是利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的扰动因子进行了建模，得到目标控制系统，在现有技术当中，目标火炮后坐缓冲系统一般是采用PID进行控制，而在本实施例中，是设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统，以使得自抗扰控制系统对原有目标火炮后坐缓冲系统的控制系统具有更强的抗干扰能力，因此，利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制时，能够取得更好的控制效果。

也即，在本实施例中，首先，是对目标火炮后坐缓冲系统的已知信息进行建模，再根据建立的模型设计一个或者多个小的自抗扰控制系统，并针对这些小的自抗扰控制系统设计反馈控制律，然后，根据已知信息和反馈结果得到虚拟控制量，之后，对目标火炮后坐缓冲系统和这些小的自抗扰控制系统的模型误差以及采样、计算误差等构成的扰动因子进行实时估计，并利用估计结果对反馈控制律的输出结果进行补偿，得到真实控制量，并利用这些真实控制量来对目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

需要说明的是，此处将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，是指根据实际情况的需要，设计相应的控制律将目标控制系统添加至目标火炮后坐缓冲系统中合适的反馈位置处，此操作为本领域技术人员所熟知的内容，此处不再进行赘述。

可见，在本实施例中，首先是利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统与根据目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型的误差值；然后，设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；由此解决了现有技术当中由于目标火炮后坐缓冲系统的数学模型复杂、非线性度强，难以直接根据其数据模型建立反馈控制律的问题，也即，在本实施例中利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的扰动因子进行实时估计与补偿，将原有目标火炮后坐缓冲系统的目标模型补偿为理想的控制模型，所以，利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制时，就会有更高的控制精度。

基于上述实施例，本发明实施例公开了一种具体的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法。为了对本实施例中的原理有更为清楚的阐述，在本部分首先介绍一些相关的理论基础知识。

一般来说，对于火炮后坐缓冲系统进行建模时，需要综合考虑炮架的受力和运动部分的后坐行程，也即，在相同的后坐行程的情况下，要使得炮架承受的最大后坐力尽可能小。

根据能量守恒定律，后坐阻力的总功会抵消炮弹发射后炮膛合力的总功，则有：

式中，F_pt为炮弹炮膛提供的冲击力，F_R为后坐缓冲系统提供的后坐阻力。

由上式可得，等式左侧为炮弹发射后炮膛合力的总功，在忽略能量发热耗散等因素干扰的情况下，其值为一定值，也即，该值为后坐缓冲系统需要克服的总功；等式右侧为后坐阻尼力的总功，具体体现在后坐力在位移上的积分，有如图2所示的变化规律。从图2中可以得出，后坐阻力做功面积相同时，当且仅当后坐阻力F_R为常数时，后坐阻力的最大值最小。所以，在实际应用当中，希望通过相关的控制过程使得总的后坐阻尼力为常数，从而实现炮架受到的冲击力最小且较为平稳。

下面对火炮后坐缓冲系统运动过程的动态数学模型作简单的介绍。

首先，对冲击力的后坐运动过程进行分析，根据牛顿第二定律可知：

式中，F_pt为炮弹炮膛提供的冲击力，F_R为后坐缓冲系统提供的后坐阻力，m_r为后坐缓冲系统的质量，x为后坐缓冲系统的后坐位移。

需要说明的是，m_r的值一般为后坐缓冲系统配重质量块与磁流变阻尼器质量之和，而火炮冲击力的曲线如图3所示，根据实际情况可知，火炮后坐力的表达式为：

F_R＝F_MRD+F_f+kx；

式中，F_R为后坐缓冲系统中的后坐力，F_MRD为磁流变阻尼器输出的阻尼力，F_f为后坐缓冲系统中后坐运动部分与导轨之间的摩擦力，kx为弹簧的弹力，k为弹簧的劲度系数。

此处，再来分析磁流变阻尼器受力数学模型，当磁流变阻尼器的结构和材料固定以后，输出的阻尼力F_MRD主要与后坐缓冲系统中的后坐速度v以及磁流变液的屈服强度τ_y有关。

在磁流变阻尼器受力数学模型当中，在中高速区可以将磁流变阻尼器的输出力F_MRD分为两个独立的部分，也即，第一部分只与速度v有关，第二部分只与磁流变液的屈服强度τ_y有关，记为：

F_MRD＝avⁿ+F_τ

式中，F_MRD为输出的阻尼力，a为阻尼器结构及磁流变液相关的系数总和，v为后坐速度，n为磁流变液的流体行为指数，F_τ为库仑阻尼力。

需要说明的是，库仑阻尼力F_τ是与磁流变液的屈服强度τ_y有关的力，库仑阻尼力F_τ的大小由流液间隙内磁场强度的大小决定，在实际应用当中，库仑阻尼力F_τ受到加在其上电流的控制，这也体现了磁流变阻尼器阻尼力大小可调的特性。

在磁流变阻尼器受力数学模型当中，在低速区可以将速度近似为零，那么，可调库仑阻尼力F_τ随速度快速平滑下降。结合工程中常用到的双曲正切函数来描述低速时的场景。将可调库仑阻尼力F_τ随速度平滑下降的特性在高速运动和低速运动的特性用统一的函数形式来表达，也即：

F_MRD＝a₁vⁿ+F_τth(a₃v+a₄)

式中，F_MRD为输出的阻尼力，F_τ为库仑阻尼力。

此处，再来对磁流变阻尼器的时滞响应特性进行分析，在实际的系统当中，磁流变阻尼器是一个大时滞系统，通过控制器控制库仑阻尼力F_τ存在采样和控制延时t₁，t₁一般为微秒级，控制量到产生电流的延时t₂，而且，延时t₂一般由磁流变阻尼器的电阻R和电感L决定，通常为毫秒级；电流产生磁场到磁流变阻尼液屈服强度达到最强的过程延时t₃，而且，延时t₃根据相关参考文献可知，其值一般为毫秒级，大概为1～3ms。由上述论述可知，在建立控制量u_control到库仑力F_τ的s域模型时，可以忽略控制延时的影响。

而控制量u_control到阻尼器绕组线圈输入电压u_in的模型表达式为：

u_in＝u_control×u_DC；

式中，u_in为控制量u_control到阻尼器绕组线圈输入电压，u_control为控制量，u_DC为直流电压值。

线圈输入电压u_in到电流i的模型表达式为：

式中，i(s)为电流，R为磁流变阻尼器的电阻，L为磁流变阻尼器的电感，u_in为线圈的输入电压。

延时t₃，可用一阶惯性模型近似表达为：

式中，F_τ为库仑阻尼力，t₃为延时的时间。

根据

考虑后坐阻力F_R为控制目标结果，即给定指令，当符合最优控制时，也即，在特定后坐行程下要求后坐力最小，此处就有：

式中，F_R为后坐阻力，F_pt为炮弹炮膛提供的冲击力，X_k为冲击力做功距离，λ为总后坐行程目标值。

由上述论述以及通过实际应用测量得到的冲击力-时间曲线，加速度、速度或位移的时间曲线，可以拟合得到冲击力-位移曲线，根据冲击力-位移曲线可以计算得到冲击力做的功，再根据设计的总后坐行程，可以算出后坐阻力F_R。

根据上述模型的分析及计算结果，只考虑内环反馈和外环反馈，也即，只考虑电流反馈和力反馈，可以建立如图4所示的总体控制方案。为了便于系统设计与分析，忽略一些次要因素的影响，可以建立如图5所示的反馈线性化系统框图。此处，关于图4和图5当中的控制流程，为本领域技术人员所熟知的内容，此处不再进行具体阐述。

以上是对本实施例中用到的基础理论进行了相关的说明，其中，更为详细的基础知识及理论，请参考《冲击载荷下磁流变阻尼器动态特性分析及其控制系统设计》中的内容，下面对上述实施例中的方法步骤进行具体的说明。

具体的，控制系统的微分方程表达式为：

式中，x₁＝F_MRD为所选取的第一状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器输出的阻尼力，

为x₁对时间的微分；x₂＝i为所选取的第二状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器通入的电流，

为x₂对时间的微分；v为磁流变阻尼器运动部分的向后运动速度，n为表征速度与阻尼力F_MRD第一构成项之间关系的指数函数的指数数值，a₁为F_MRD第一构成项与vⁿ的比例系数，f为电流幅值与库仑力幅值之间的非线性函数关系，th为双曲正切函数，a₃和a₄分别为F_MRD第二构成项中包含的双曲正切函数的两个系数，u_DC为给控制磁流变阻器的逆变器供电的直流电源的电压，u_control为数字控制器中的电压控制量，R为磁流变阻尼器的电阻，L为磁流变阻尼器的电感，t₃为电流产生磁场到磁流变液屈服强度达到最强时的延时时间常数。

可以理解的是，目标火炮后坐缓冲系统的控制系统可以有多种表达形式，比如：经典控制理论中的微分方程表达式，现代控制理论中的状态方程表达式，具体在本实施例当中，是利用上述微分方程表达式来代表目标火炮后坐缓冲系统的控制系统。

具体的，上述步骤S11：利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统的过程，包括：

利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计和补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统；

其中，第一扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统中错误的状态反馈值，第二扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统中由于电子元器件的运行使得目标火炮后坐缓冲系统运行异常的干扰值。

可以理解的是，在实际应用当中，基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统会受到目标火炮后坐缓冲系统中错误的状态反馈值的影响，也即，目标火炮后坐缓冲系统中第一扰动因子的影响，具体到实际的控制系统中，是会受到磁流变阻尼器响应时间测定不准确、惯性环节近似偏差、电流与库仑力的函数关系表达式拟合不准确、速度值不准确、磁流变阻尼器的阻尼力与速度相关项不准确的影响，也即，第一扰动因子包括由于建模不准确、采样误差、计算误差等造成的产生阻尼力F_MRD需要的实际电流，与建立目标火炮后坐缓冲系统的控制系统所需要的电流之间的误差值。

而且，目标火炮后坐缓冲系统还会受到目标火炮后坐缓冲系统中由于电子元器件的运行使得目标火炮后坐缓冲系统运行异常的干扰值的影响，也即，会受到第二扰动因子的干扰，具体到实际的控制系统当中，是会随着线圈温度变化电阻发生变化、模型电感值不准确以及开关器件非线性的影响，也即，第二扰动因子包括实际电压控制量、建立目标火炮后坐缓冲系统的控制系统时所需要的电压控制量u_control的误差值以及与该误差值相对应的相关项。

考虑到上述实际情况，如果以库仑力的参考值F_{τ_ref}为给定，那么，由速度相关项不准确导致的给定不准确从而造成输出力偏差无法通过控制算法补偿。所以，在本实施例中，是以磁流变阻尼器的合力的参考值F_{MRD_ref}为给定，为了描述问题方便，将控制量u_control到磁流变阻尼器的合力F_MRD的模型用微分方程的形式进行表述，也即，反馈控制系统的微分方程表达式为：

式中，x₁＝F_MRD为所选取的第一状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器输出的阻尼力，

为x₁对时间的微分；x₂＝i为所选取的第二状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器通入的电流，

为x₂对时间的微分；v为磁流变阻尼器运动部分的向后运动速度，n为表征速度与阻尼力F_MRD第一构成项之间关系的指数函数的指数数值，a₁为F_MRD第一构成项与vⁿ的比例系数，f为电流幅值与库仑力幅值之间的非线性函数关系，th为双曲正切函数，a₃和a₄分别为F_MRD第二构成项中包含的双曲正切函数的两个系数，u_DC为给控制磁流变阻器的逆变器供电的直流电源的电压，u_control为数字控制器中的电压控制量，R为磁流变阻尼器的电阻，L为磁流变阻尼器的电感，t₃为电流产生磁场到磁流变液屈服强度达到最强时的延时时间常数。

其中，控制量u_control到磁流变阻尼器的合力F_MRD的系统框图如图6所示。

此处，可以将磁流变阻尼器响应时间测定不准确、惯性环节近似偏差、电流与库仑力的函数关系表达式拟合不准确、速度值不准确、磁流变阻尼器的阻尼力与速度相关项不准确等非理想因素造成的模型误差之和在反馈控制系统的微分方程中等效为一个未知参数w₁；将随着线圈温度变化电阻发生变化、模型电感值不准确以及开关器件等非理想因素造成的模型误差之和在反馈控制系统的微分方程中等效为一个未知参数w₂，那么，目标火炮后坐缓冲系统的控制系统的微分方程可以重写为如下表达式：

可以理解的是，如果将未知参数w₁和未知参数w₂通过一定的手段测量得到，那么就可以对反馈系统的微分方程进行更准确的建模。具体的，在本实施例中是利用第一扩张状态观测器和第二状态观测器来对未知参数w₁和未知参数w₂进行测量估计。

如图7所示，上述步骤：利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计与补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统的过程，包括：

步骤S01：利用第一扩张状态观测器估计第一扰动因子的数值，得到第一扩张状态观测值；

步骤S02：利用第二扩张状态观测器估计第二扰动因子的数值，得到第二扩张状态观测值；

步骤S03：利用自抗扰控制算法分别对第一扩张状态观测值和第二扩张状态观测值设计相应的控制律，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统。

具体的，第一扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₁₁为状态变量x₁的估计值，e为z₁₁对x₁的估计误差，z₁₂为第一扩张状态观测器对第一目标控制系统中扰动量的估计，u₁为第一自抗扰控制器的输出控制量，b₁和b₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

具体的，第二扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₂₁为状态变量x₂的估计，e₂为z₂₁对x₁的估计误差，z₂₂为第二扩张状态观测器对第二目标控制系统中扰动量的估计，c₁和c₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

在本实施例中，是利用第一扩张状态观测器估计目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中的未知参数w₁，得到第一状态观测值；利用第二扩张状态观测器估计目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中的未知参数w₂，得到第二状态观测值，并对未知参数w₁和未知参数w₂进行实时补偿，能够想到的是，当对目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中的未知参数进行补偿之后，利用自抗扰控制算法分别对第一状态观测值和第二状态观测值设计相应的控制律，就可以得到第一目标控制系统和第二目标控制系统。

其中，对第一目标控制系统设计控制律的过程为：将给定的阻尼力和反馈的阻尼力F_MRD的误差的各阶微分和积分进行线性或非线性组合；对第二目标控制系统设计控制律的过程为：将给定的电流和反馈的电流的误差的各阶微分和积分进行线性或非线性组合。

本实施例对第一目标控制系统ADRC1和第二目标控制系统ADRC2的设计过程进行如下的说明，假设内环控制系统ADRC2跟踪较好的情况下，通过ADRC1控制器让外环输出F_MRD＝x₁跟踪指令值。

首先，利用第一扩张状态观测器对第一扰动因子进行估计，得到第一扩张状态观测值，利用第二扩张状态观测器对第二扰动因子进行估计，得到第二扩张状态观测值；其次，根据系统的微分方程结合工程经验设定第一目标控制系统和第二目标控制系统，并分别针对第一目标控制系统和第二目标控制系统设计相应的第一反馈控制律和第二反馈控制律，并根据第一给定量、第一反馈量和第一反馈控制律得到第一虚拟控制量，根据第二给定量、第二反馈量和第二反馈控制律得到第二虚拟控制量；然后，利用第一扩张状态观测值和第一虚拟控制量得到第一控制量，利用第二扩张观测值和第二虚拟控制量得到第二控制量，当得到了第一控制量和第二控制量之后，就可以获取到第一目标控制系统和第二目标控制系统。

其中，令第一虚拟控制量

则ADRC1输出的第一控制量

可以理解的是，u′₁可以由误差反馈控制律得出，x₁可以由力传感器反馈信号处理获取，w₁可以由第一扩张观测器估计得到。

其中，第一扩张状态观测器的表达式为：

b₂的取值为：

式中，w₀为所期望的观测器带宽，而且，w₀的选择和系统的特性以及采样频率有关，需要根据实际情况而定。

而且，通过相关证明可知，模型误差在一定范围内时，第一扩张状态观测器收敛，也即，z₁₂收敛到w₁。

u′₁计算的误差反馈控制律可取为：

其中，β₁为比例系数，需要根据实际情况而定。

然后，本实施例对ADRC2的设计过程进行如下的说明，假设f(x₂)跟踪ADRC1的输出量f(x₂)^*，即可实现对整个控制系统的控制。

令第二虚拟控制量

则ADRC2输出的第二控制量

可以理解的是，u'₂可以由误差反馈控制律得出，x₂可以由电流传感器获取，w₂可以由第二扩张状态观测器估计得到。

其中，第二扩张状态观测器的表达式为：

c₁和c₂的取值为：

式中，w₀为所期望的观测器带宽，而且，w₀的选择和系统的特性以及采样频率有关，需要根据实际情况而定。

而且，通过相关证明可知，模型误差在一定范围内时，第二扩张状态观测器收敛，也即，z₂₂收敛到w₂。

u'₂计算的误差反馈控制律可取为：

其中，β₂为比例系数，需要根据实际情况而定，由此便可以计算得到目标控制系统中的第一目标控制系统ADRC1和第二目标控制系统ADRC2。

基于上述步骤过程，考虑目标火炮后坐缓冲系统中的未知部分之后，利用扩张状态观测器将目标火炮后坐缓冲系统中未知的部分进行估计并实时补偿，对补偿之后的目标火炮后坐缓冲系统设计相应的控制律，即可得到如图8所示的控制流程图。

相应的，本发明还公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制装置，如图9所示，该控制装置包括：

扰动因子建模模块21，用于利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，扰动因子为目标火炮后坐缓冲系统中与目标模型的误差值；目标模型为根据目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

系统调整模块22，用于设计控制律将目标控制系统加入目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

系统控制模块23，用于利用自抗扰控制系统对目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

相应的，本发明还公开了一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备，如图10所示，包括：

存储器31，用于存储计算机程序；

处理器32，用于执行计算机程序时实现如前述公开的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如前述公开的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种火炮后坐缓冲系统，包括如前述公开的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法、装置、介质、设备及火炮后坐缓冲系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法，其特征在于，包括：

利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，所述扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统与目标模型的误差值；所述目标模型为根据所述目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

设计控制律将所述目标控制系统加入所述目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

利用所述自抗扰控制系统对所述目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制系统的微分方程表达式为：

式中，x₁＝F_MRD为所选取的第一状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器输出的阻尼力，

为x₁对时间的微分；x₂＝i为所选取的第二状态变量，对应的物理量为磁流变阻尼器通入的电流，

为x₂对时间的微分；v为磁流变阻尼器运动部分的向后运动速度，n为表征速度与阻尼力F_MRD第一构成项之间关系的指数函数的指数数值，a₁为F_MRD第一构成项与vⁿ的比例系数，f为电流幅值与库仑力幅值之间的非线性函数关系，th为双曲正切函数，a₃和a₄分别为F_MRD第二构成项中包含的双曲正切函数的两个系数，u_DC为给控制磁流变阻器的逆变器供电的直流电源的电压，u_control为数字控制器中的电压控制量，R为磁流变阻尼器的电阻，L为磁流变阻尼器的电感，t₃为电流产生磁场到磁流变液屈服强度达到最强时的延时时间常数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统的过程，包括：

利用所述自抗扰控制算法对所述目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计和补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统；其中，所述第一扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中错误的状态反馈值，所述第二扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统中由于电子元器件的运行使得所述目标火炮后坐缓冲系统运行异常的干扰值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述自抗扰控制算法对所述目标火炮后坐缓冲系统中的第一扰动因子和第二扰动因子进行实时估计与补偿，得到第一目标控制系统和第二目标控制系统的过程，包括：

利用第一扩张状态观测器估计所述第一扰动因子的数值，得到第一扩张状态观测值；

利用第二扩张状态观测器估计所述第二扰动因子的数值，得到第二扩张状态观测值；

利用所述自抗扰控制算法分别对所述第一扩张状态观测值和所述第二扩张状态观测值设计相应的控制律，得到所述第一目标控制系统和所述第二目标控制系统。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₁₁为状态变量x₁的估计值，e为z₁₁对x₁的估计误差，z₁₂为第一扩张状态观测器对第一目标控制系统中扰动量的估计，u₁为第一自抗扰控制器的输出控制量，b₁和b₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二扩张状态观测器的表达式为：

式中，z₂₁为状态变量x₂的估计，e₂为z₂₁对x₁的估计误差，z₂₂为第二扩张状态观测器对第二目标控制系统中扰动量的估计，c₁和c₂为第二扩张状态观测器的反馈比例系数。

7.一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制装置，其特征在于，包括：

扰动因子建模模块，用于利用自抗扰控制算法对目标火炮后坐缓冲系统的扰动因子进行实时估计和补偿，得到目标控制系统；其中，所述扰动因子为所述目标火炮后坐缓冲系统与目标模型的误差值；所述目标模型为根据所述目标火炮后坐缓冲系统的工作原理所创建的模型；

系统调整模块，用于设计控制律将所述目标控制系统加入所述目标火炮后坐缓冲系统的控制系统当中，得到自抗扰控制系统；

系统控制模块，用于利用所述自抗扰控制系统对所述目标火炮后坐缓冲系统进行控制。

8.一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制方法的步骤。

10.一种火炮后坐缓冲系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的一种基于磁流变阻尼器的火炮后坐缓冲系统控制设备。

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