某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析.pdf

针对某火炮药协调器的动作可靠性分析问题 在考虑协调臂柔性和运动副间隙的条件下 建立参数化的药协调器刚柔耦合动力学模型和控制模型 基于随机惯性权重的粒子群算法 将一次协调运动中的区间不确定性参数视为定值 通过试验数据对系统参数进行辨识 验证了药协调器仿真模型的准确性 采用蒙特卡洛方法 分析了某火炮药协调器在两种满载工况下的可靠性 结果表明:协调角度 和 时的可靠度分别为 和 总体失效概率较小 调姿轴转动副和电缸支座转动副的间隙大小分别对这两种工况下的动作可靠性影响较大关键词:药协调器 可靠性分析 刚柔耦合 联合仿真 参数辨识 粒子群算法中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:弹药自动装填系统在火炮武器系统中负责弹丸、模块药的存储补给、记忆识别自动选择弹丸类第 期石志杰等:某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析型、装药种类及药块数量并进行任意角度下的装填动作 药协调器作为自动装填系统的重要子部件主要功能是接收从自动化药仓中分出的药块随后绕耳轴回转将药块协调至指定射角的输药位其协调到位精度和协调运动时长直接影响着火炮的射击状态和射速如果协调的定位误差超出了规定的精度指标则会影响到发射任务的完成机构动作可靠性的定义 为在规定的时间内和规定的条件下机构完成规定功能的能力 相应的机构可靠度定义为机构完成规定功能的概率 机构可靠性的研究最早源于零件运动副磨损问题经过几十年的发展可靠性预计和建模方法大致可分为纯概率方法、近似概率方法和非概率方法 在纯概率方法中 蒙特卡洛模拟()作为一种经典的随机抽样数值仿真方法是可靠性分析问题成熟有效的解决手段使用 对系统模型进行可靠性分析能够减少试验工作量但前提应保证仿真模型的准确性模型对外部输入的响应量要与实际系统相吻合然而待研究系统的内部特性往往不能得到全部认识这时就需要针对不确定参数辨识建模 系统辨识就是在一组模型类中选取一个与数据拟合得最好的模型 近年来在经典辨识方法的基础上发展出了一些新的参数辨识方法 赵旭宝等基于改进 算法对弹性胶泥缓冲器动力学模型各参数进行了优化求解 赵抢抢等以时序曲线相似度为目标函数使用差分进化算法对研究对象的区间不确定参数进行了辨识 武诗睿等提出了一种基于摩擦 速度曲线特定区域形状分析的 摩擦参数辨识法辨识实验量更小精度更高此外围绕火炮自动装填系统的可靠性问题已经存在较多研究 高学星将自动装填系统中的常见故障以概率形式抽象为模型的不确定性参数创建了基于径向基函数神经网络的代理模型提高了装填系统可靠性的计算效率 曹汝男提出一种新的主动学习方法兼顾失效概率的估计精度提高了复杂机械结构的可靠性分析效率并将其运用到火炮协调器的定位精度可靠性分析中 杨丽考虑某双路供弹系统的动作特性分析了供弹机构可靠性研究了针对自动火炮关键性能的评估策略笔者在考虑柔性体和运动副间隙的前提下建立了某火炮药协调器刚柔耦合动力学模型和控制模型 针对系统中的区间不确定参数使用随机惯性权重的粒子群算法结合试验数据对系统参数进行辨识同时设计仿真试验研究此方法的有效性和辨识精度 在利用辨识参数验证仿真模型的准确性后使用该模型对药协调器不同工况下的动作可靠度进行估计同时得到各尺寸参数对定位误差的影响程度为药协调器的可靠性设计提供参考 某火炮自动装填系统药协调器模型.药协调器结构组成药协调器的结构组成包括耳轴连接盘、协调电机、减速器、协调臂和调姿电缸组件等自动输药机安装在协调臂末端的调姿轴上 图 为药协调器和输药机的结构示意图输药时在调姿电缸组件的驱动下输药机可以绕调姿轴做 的调姿运动上下极限位置都有机械限位分别对应接药姿态和输药姿态(图 为输药姿态)同时输药机还随协调臂一起绕耳轴回转作协调运动 药协调器通过调姿和协调两个动作配合完成输药机轴线在任意高低射角下与炮膛轴线对齐的输药功能 由此可知输药机自水平接药位协调至目标射角输药的过程中药协调臂的实际转动角度值为射角加调姿角()总体来看药协调器动作可靠性的影响因素主要包括以下几点:)药协调器的协调臂、限位块、推杆等构件在制造过程存在的尺寸误差、形位误差以及在装配和焊接时产生的间隙和变形都一定程度上影响了协调器的到位精度)协调臂的变形 药协调器是在高速、重载的条件下工作的这个过程中其主体协调臂会产生变形影响动作的可靠性)控制系统的驱动误差 控制系统的输出误差较大抗干扰能力不强规定时间内电机无法驱动部件到达理论位置也会降低药协调器的动作可火炮发射与控制学报第 卷靠性.药协调器刚柔耦合的动力学模型为了研究协调过程基于药协调器的工作原理作出如下假设:)除协调臂外所有部件均假定为刚体不考虑载荷及构件变形影响)协调过程中耳轴和炮尾固定不动忽略车体的姿态扰动)输药机限位块与协调器碰块之间、各组转动副轴孔之间的碰撞为弹性碰撞将装配好的药协调器三维模型导入 中根据实际的物理约束情况添加运动副并定义了接触关系拓扑图如图 所示 其中、为固定约束、为旋转约束为平移约束调姿驱动力简化为 运动方向的单向力由于在协调过程中协调臂会发生弹性变形因此模型需要考虑柔性体构件对协调器动作可靠性产生的影响 协调臂主体由耳轴挂套、连接加强筋、堵块以及钢板焊接而成耳轴挂套采用实体单元进行离散折臂部分采用壳单元进行离散并参考实际约束副建立外连节点和刚性区域 协调臂结构材料属性如表 所示有限元离散模型如图 所示表 协调臂结构材料属性材料板厚/杨氏模量/泊松比密度/().提取前 阶模态输出协调臂的模态中性文件替换原先的刚体模型并重新添加相关约束建立刚柔耦合的药协调器模型.药协调器 控制联合仿真在药协调器中上位机发出指令给驱动器通过电流控制电机的转矩经过减速器后驱动协调臂进行绕轴动作 编码器实时反馈协调臂当前角度给驱动器调整控制量形成一个完整的闭环控制系统 根据这一实际工作情况定义协调臂在回转耳轴处所受的驱动力矩为 ()式中:/为电机的转矩常数为电机 轴电流 为协调减速器的传动比为协调减速器的传动效率摩擦是一种复杂的非线性物理现象是机械伺服系统的主要阻尼来源对药协调器的控制性能影响很大 在协调运动时由于减速器的存在以及一些未知的阻尼特性用试验样机驱动器输出的电流去控制药协调器的动力学模型会发生严重的超调现象 由于 内置的摩擦模型始终不能很好地贴合试验数据笔者选择库仑 黏性摩擦模型 来建立较为准确的动力学模型 药协调器工作时的摩擦力矩定义为 ()()式中:为角位移 为黏性摩擦系数 为库仑摩擦力矩()是符号函数为了在运动过程中速度过渡平滑、减小冲击药协调器选用如图 所示的七段式 形速度曲线规划法建立理想运动轨迹(以目标射角 为例)控制模型采用 控制器 控制器按偏差的比例()、积分()和微分()进行控制因其原理简单、调参方便、易于实现等优势被广泛应用于工业控制过程中规定电流为机械系统输入变量角位移及其他状态量为输出变量导出药协调装置的动力学模型搭建如图 所示的 联合仿真控制模型第 期石志杰等:某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析 参数辨识与模型验证.药协调器参数分析由.节建模过程可知药协调器模型包含较多参数其中一些参数可以通过测量和计算获得还有一些参数则是不确定的 考虑设备精度和加工方式对构件尺寸的影响药协调器各组转动副的轴孔尺寸服从表 的设计公差表 药协调器运动副配合列表转动副位置基本尺寸/配合公差调姿轴/推杆前接口/电缸支座/为了研究表 中各组转动副的间隙和尺寸分布需要在.节建立的药协调器动力学模型的基础上作一些调整 首先建立表中各转动副处轴孔的参数化模型再用平面约束结合接触力的方式分别替换掉原先的理想旋转约束 此外黏性摩擦系数、库仑摩擦力矩 和减速器传动效率 这些模型参数也是未知的且难以在试验中直接测量得到 事实上即便是单个产品在一次动作过程中这些参数也是变化的考虑到协调定位的时间很短可以近似地把它们看作定值并用试验数据辨识获得 不同产品之间的上述参数虽然也存在波动但在实际设计和制造过程中并不能提前估计和人为干预 因此笔者利用辨识参数进行可靠度计算分析设计尺寸对药协调器可靠性的影响以指导生产实际.基于随机权重粒子群算法的参数辨识方法根据前文建立的药协调器动力学模型每给定一组不确定性参数()模型在实际控制器电流的驱动下就会得到一条角位移的仿真曲线与试验曲线最为吻合的仿真曲线所对应的就是最优的一组参数 也就是说药协调器的参数辨识问题可以被认为是一个优化问题在仿真角位移曲线的时间轴上等距选取 个时间点()并将每个时间点处的角位移 与实际角位移 的差值取绝对值把它们和的最小值作为优化目标即目标函数计算公式为()()式中:为仿真角位移曲线在 时刻的角位移为试验角位移曲线在 时刻的角位移目标函数的寻优采用基于随机惯性权重的粒子群算法()因其容易理解、精度高、收敛快该算法在许多优化问题中得到成功应用 在 中每个粒子都可以看作是优化空间内的一个解都有一个由目标函数决定的适应度值算法从随机解出发迭代寻找最优解 每次迭代中粒子会跟踪本身找到的历史最优解(个体极值)和整个种群目前找到的最优解(群体极值)来更新自己的位置公式如下:()()()()式中:和 分别表示第 次迭代时第 个粒子的速度和位置 表示惯性权重和 表示学习因子和 分别表示个体极值和全局极值和 表示均匀分布随机数为了改善算法迭代初期的局部搜索能力和迭代后期的全局搜索能力避免其陷入局部最优采用随机惯性权重的改进粒子群算法 随机惯性权重 的生成公式为 ()()()()火炮发射与控制学报第 卷式中:和 分别代表随机惯性权重的最小值和最大值()表示均匀分布随机数表示标准差()表示正态分布的随机数综上辨识药协调器不确定性参数的流程图如图 所示.药协调器的参数辨识根据工程经验、产品说明书和相关文献确定待辨识参数的搜索范围分别为:黏性摩擦系数 单位 库仑摩擦力矩 单位 减速器传动效率.为了检验.节的方法辨识药协调器参数的精度笔者设计了几组仿真试验表 给出了辨识结果 结果表明在仿真试验中药协调器 个待辨识参数值的平均辨识误差分别为.、.和.辨识精度良好表 仿真试验数据辨识结果序号/()/()设计值辨识值设计值 辨识值 设计值 辨识值.选择 块药装填、药协调器从接药位协调到射角的工况对试验样机台架进行数据采集获得电流和角位移数据进行参数辨识 目标函数寻优变化过程如图 所示可以发现适应度值在迭代一定次数后趋于收敛但不为 这是因为样机试验还受到多种外界因素的干扰在重复性协调试验后共选取 组电流和角位移数据进行了参数辨识如表 所示并将 次试验结果的均值作为最终的辨识值表 样机试验数据辨识结果试验数据/()/()第 组.第 组.第 组.均值.将参数的辨识值代回仿真模型后另取一组试验数据作为对照组对比仿真角位移曲线和试验角位移曲线如图 所示 可以看到二者具有很高的相似度这说明辨识结果是合理的与试验情况相吻合达到了工程需要 药协调器动作可靠性分析.可靠性功能函数药协调器的动作可靠性受尺寸参数、外部载第 期石志杰等:某火炮药协调器多学科耦合模型参数辨识与可靠性分析荷、环境变量等多种因素的影响这些因素可以设为系统的随机变量 ()则装置的输出响应函数为 ()().()已知理想情况下药协调器的输出响应为 是确定工况下的一个给定值由此可得系统的输出误差为 .()给定误差极限阈值 则药协调器可靠性功能函数为()()式中:当 时表示药协调器的运动可靠当 时表示机构处于临界失效状态当 时机构处于失效状态因此药协调器动作失效概率为()()()式中()为输出误差 的概率密度函数.可靠性数值估计由于柔性体的存在、控制系统的误差和其他外部随机扰动难以得到式()中药协调器显式的可靠性功能函数为此笔者使用 对药协调器的动作可靠度进行估计假设各轴孔尺寸参数服从正态分布均值由基本尺寸和设计公差决定标准差根据 原则确定具体取值如表 所示 通过 内置的 模块对药协调器的模型参数进行描述抽样()表 各尺寸参数的均值与标准差尺寸参数代号均值/标准差调姿轴轴直径.调姿轴孔直径.推杆前接口轴直径.推杆前接口孔直径.电缸支座轴直径.电缸支座孔直径.描述抽样是将每一个随机变量所定义的空间分为相等的概率子空间对每一个随机变量子空间的分析只进行一次可以在不影响结果的前提下极大地减少抽样点数量 药协调器动作的允许误差极限阈值为 .在装填 块药、射角 和两个工况下分别对各尺寸参数进行 次抽样得到药协调器的动作可靠度为 和 协调定位误差的频数分布直方图及累积概率分布图分别如图、所示火炮发射与控制学报第 卷 可以看到考虑协调臂柔性后实际协调角度有偏大的趋势协调定位误差的整体分布向 轴正方向偏移 由于射角较射角时协调器负载对耳轴处的力矩更大而装填的时序要求却缩短了因此射角的协调定位误差整体要小于射角分布也更为集中可靠性表现总体上优于射角在 模块里失效率的影响因素可以通过软件后处理中的 图表示如图 所示 可以看出射角时调姿轴转动副的间隙大小对协调器失效率的影响贡献最大而 射角时则是电缸支座转动副的间隙大小影响最大二者与失效率均为正相关 结束语笔者建立了某火炮药协调器刚柔耦合动力学模型和控制模型分析了药协调器动作可靠性的影响因素 基于随机惯性权重的粒子群算法根据试验数据辨识系统中的参数并验证了仿真模型的准确性也表明了该辨识方法的可行性 在考虑柔性体、控制误差和运动副间隙的条件下对药协调器动作可靠度进行了估计 通过 得到在装填 块药、协调角度 和 的工况下药协调器动作可靠度为.和.总体失效概率较小 本文研究结果对类似结构自动装填系统的设计和可靠性分析具有一定的借鉴意义参考文献 石海军.某中口径自行火炮自动装填系统关键问题研究.南京:南京理工大学:.宋清林.考虑间隙和柔性体的火炮协调器动力学与可靠性分析.沈阳:东北大学:.何水清王善.结构可靠性分析与设计.北京:国防工业出版社:.():.():.():.高学星.弹药自动装填子系统动作可靠性与故障诊断.南京:南京理工大学:.王涛.系统建模方法综述.科技资讯():.赵旭宝魏伟刘爽等.基于改进 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