[发明专利]初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置及其控制方法

权利要求书

1.一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置，包括n段初级分段式圆筒型直线电机、电磁弹射控制器、逆变器切投装置和弹射起飞角度控装置，初级分段式圆筒型直线电机包括分段定子和电磁弹射动子，电磁弹射动子包括鳍状的弹射平台，电磁弹射部件与电磁弹射动子相结合，其特征在于：还包括涡流减速器，涡流减速器采用合金铝板，合金铝板与弹射平台一体设置，n段初级分段式圆筒型直线电机的最后一段后加装有圆筒减速装置，涡流减速器在圆筒减速装置中会感应出涡流并与永磁磁场相互作用，使电磁弹射动子停止运动；电磁弹射动子上设有位置检测装置，n段分段定子上分别设有电流传感器；

电磁弹射控制器包括高速数据处理芯片和分别与其连接的数据储存电路、电压调理电路、光耦隔离电路、驱动电路和电流电压检测电路；电磁弹射控制器采用自学习迭代双闭环矢量控制的方法对电磁弹射动子进行弹射控制；自学习迭代双闭环矢量控制的方法包括两路PI反馈控制速度环和两路PI调节空间矢量电流环；PI反馈控制速度环采用自学习迭代控制优化算法，通过若干次的自学习和优化参数，找到弹射控制的最优解；PI调节空间矢量电流环中包括电流环PI控制器A和电流环PI控制器B；

逆变器切投装置包括两路空间矢量逆变电路和n-1路固态继电器，两路空间矢量逆变电路始终将输出电压分别加载在相邻的两段初级分段式圆筒型直线电机上，并根据位置检测装置所检测的电磁弹射动子的位置实时切换空间矢量逆变电路；

弹射起飞角度控制装置包括液压泵、液压轴及其控制装置，根据无人机的起飞要求调整起飞角度。

2.根据权利要求1的一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置，其特征在于：初级分段式圆筒型直线电机所采用的段数与所需弹射物体的质量和速度相适配，初级分段式圆筒型直线电机的段与段之间的连接采用模块化拼接结构。

3.根据权利要求1的一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置，其特征在于：PI反馈控制速度环通过自学习迭代PI复合调节器对给定速度和加速度进行跟踪，产生的速度误差作为电流环PI控制器A和电流环PI控制器B的输入，再分别通过两路空间矢量调制SVPWM的控制方式输出两路空间矢量逆变器的控制量，再分别经两路空间矢量逆变器得到电磁弹射动子的驱动电压。

4.根据权利要求1的一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)；启动电磁弹射任务时，先采用位置检测装置反馈的电磁弹射动子的位置信号，确定开启n-1个固态继电器中的相邻两路驱动电路，

步骤(2)；如果检测到电磁弹射动子由于某种原因偏移弹射初始位置，通过逆序控制固态继电器的开关和反向电磁力使其恢复初始位置；

步骤(3)；校验正确后，启动弹射任务，根据无人机的起飞要求调节弹射角度，

步骤(4)；两路电流传感器分别对电磁弹射动子所在位置处相邻的两段分段定子的电流进行采集，并将采集到的电流信号分别输入电流环PI控制器A和电流环PI控制器B，电流环PI控制器A和电流环PI控制器B分别给出电流参考值；

步骤(5)；电流环PI控制器A和电流环PI控制器B再分别将电流参考值在ABC坐标系中转化成DQ坐标系的值，两个DQ坐标系的值分别通过空间矢量调制SVPWM的控制方式输出两路空间矢量逆变器的控制量；

步骤(6)；两路空间矢量逆变器分别生成两路分段初级控制驱动电压启动电磁弹射动子。

5.根据权利要求4的一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置的控制方法，其特征在于：两路空间矢量逆变器始终将输出的分段初级控制驱动电压加载在相邻的两段初级分段式圆筒型直线电机上，并根据所检测的电磁弹射动子的位置实时切换空间矢量逆变电路，保持电磁力稳定，在电磁弹射过程中使弹射物体处于平稳加速或减速状态，跟随位置信号不停的切换固态断路器，以保证与电磁弹射动子重合的相邻的两段分段定子持续供电。

6.根据权利要求1的一种初级分段式圆筒型模块化无人机弹射装置的控制方法，其特征在于：

自学习迭代双闭环矢量控制通过以下控制原理进行自学习优化控制：

首先对建立初级分段式圆筒型直线电机的运动非线性方程：

其中，为初级分段式圆筒型直线电机的位置，υ(t)为初级分段式圆筒型直线电机的速度，f_fri(t)为分段式圆筒直线电机在运行过程中的摩擦力，f_rip(t)为分段式圆筒直线电机在运行过程中推力波动，m_a为电磁弹射动子的质量；u(t)为电磁推力；

分段式圆筒直线电机在运行过程中的摩擦力为：

其中，f_s为静态摩擦力，f_c为库伦摩擦力，f_υ为试验负载摩擦力，δ为经验附加值；

分段式圆筒直线电机在运行过程中推力波动为：

f_rip(t)＝b sin[ω₀x(t)]

其中：b为定位力幅值，ω₀为角速度；

自学习迭代双闭环矢量控制的控制算法按以下步骤设计：

对于非线性重复性系统：

其中：k为系统的重复运行次数；t∈[0，N]为离散化时间，x_k(t)，u_k(t)，y_k(t)分别为状态输入变量，控制输入变量和控制输出变量，c为常数，f(·)，g(·)均为非线性函数；对重复性控制对象可以按以下假设：

对于一切t∈[0，N]存在有界常数k_a，k_b使得：

其中：x₁(t)，x₂(t)是任意两个状态变量，x_k(0)＝x_i(0)，x_k(0)，x_i(0)分别为第k次的状态变量初始值和期望变量的初始值；对于期望输出变量y_i(t)、期望控制输入变量u_i(t)和期望状态输入变量x_i(t)满足以下方程：

在满足以上假设的基础上测量控制输出变量y_k(t)及其扰动变量ω_k(t)，则其实际控制输出变量y_d(t)为：

y_d(t)＝y_k(t)+ω_k(t)；

系统的跟踪误差ε_k(t)和测量误差e_k(t)分别为：

ε_k(t)＝y_i(t)-y_k(t)；

e_k(t)＝y_i(t)-y_d(t)；

e_k(t)＝ε_k(t)-ω_k(t)；

最后得到其控制算法为：

其中：k为迭代次数；γ为学习增益因子；

通过多次学习优化后，电磁弹射系统能够完全跟踪给定速度和位置，并且通过矢量控制算法对电磁力进行更精准的控制。