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      基于極點(diǎn)配置的橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)

      2017-03-16 09:20:56陳海燕
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年5期

      摘 要:文章基于尾舵控制的彈體,采用極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法,建立了控制參數(shù)與開環(huán)穿越頻率,阻尼比及零極點(diǎn)比值的解析關(guān)系。在綜合考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶寬及相位裕度的約束的前提下,完成橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)品質(zhì)良好,具備良好的穩(wěn)定裕度,文章提出的設(shè)計(jì)方法有效。

      關(guān)鍵詞:極點(diǎn)配置;橫滾自動駕駛儀;穿越頻率

      同時(shí)四代機(jī)為實(shí)現(xiàn)隱身的目的,導(dǎo)彈需內(nèi)埋彈射發(fā)射,在初始彈射段,導(dǎo)彈位于載機(jī)機(jī)腹下,載機(jī)流場復(fù)雜,面臨嚴(yán)重的干擾力矩,這都對導(dǎo)彈的橫滾控制的穩(wěn)定性、快速性及無靜差控制提出了嚴(yán)格的要求[1]。

      文章針對尾舵控制導(dǎo)彈,設(shè)計(jì)了一種無靜差快響應(yīng)兩回路橫滾控制自動駕駛儀。利用簡化的三階橫滾自動駕駛儀,采用極點(diǎn)配置方法,綜合考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶寬及穩(wěn)定裕度約束的前提下,完成橫滾自動駕駛儀的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)橫滾無靜差控制,給出導(dǎo)彈典型空域的設(shè)計(jì)結(jié)果及線性化仿真結(jié)果。

      1 橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)

      忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)、速率陀螺及結(jié)構(gòu)濾波器的動態(tài)特性,橫滾自動駕駛儀為三階系統(tǒng),其簡化的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:

      自動駕駛儀待設(shè)計(jì)參數(shù)包含內(nèi)回路角速度反饋增益Ig,PI控制器參數(shù)Ki,Kg。

      從(6)式可以看出,通過理想極點(diǎn)配置方法,橫滾控制增益大小與彈體氣動特性c1、c2、系統(tǒng)開環(huán)截止頻率?棕cr、實(shí)零點(diǎn)與實(shí)極點(diǎn)大小比值?濁及阻尼比?孜有關(guān)。c1、c2為彈體本體特性,決定于導(dǎo)彈的氣動外形。通過相關(guān)公式可知?濁為略大于1的數(shù)值,對于橫滾控制來說,阻尼?孜通常取為0.9左右,因此最終橫滾控制增益的計(jì)算取決于系統(tǒng)開環(huán)截止頻率的選取。

      對于簡化的三階橫滾自動駕駛儀開環(huán)穿越頻率選取因遵循以下兩個(gè)原則:(1)穩(wěn)定性要求:相位裕度大于60°;(2)快速性要求:系統(tǒng)開環(huán)截止頻率決定了橫滾控制的快速性,工程上通常將開環(huán)截止頻帶取執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效帶寬的1/3左右。

      2 設(shè)計(jì)仿真

      取某典型飛行狀態(tài),選取期望的設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算相應(yīng)的控制增益,完成橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)及線性化仿真。飛行狀態(tài)包含飛行高度(H=10000)、飛行馬赫數(shù)(M=3.5),設(shè)計(jì)約束包含舵機(jī)帶寬(180 rad/s)、系統(tǒng)開環(huán)相位裕度(>60°),期望參數(shù)包含開環(huán)穿越頻率?棕cr(180 rad/s)、阻尼比(?孜=0.9)比例值?濁(1.005),設(shè)計(jì)結(jié)果為控制參數(shù)及開環(huán)穿越頻率。依據(jù)(6)式完成控制參數(shù)設(shè)計(jì),其階躍響應(yīng)及BODE圖如圖2、圖3所示。

      從仿真曲線看,控制系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)品質(zhì)良好,開環(huán)穿越頻率為62.7(rad/s)系統(tǒng)相位裕度達(dá)到74°,系統(tǒng)魯棒性強(qiáng),滿足橫滾自動駕駛儀穩(wěn)定性的要求。

      3 結(jié)束語

      文章首先描述了彈體橫滾動力學(xué)線性化模型,并提出了忽略高頻部件動態(tài)特性的簡化的三階橫滾自動駕駛儀結(jié)構(gòu)。采用極點(diǎn)配置方法,利用零極點(diǎn)對消原理,建立了控制參數(shù)與開環(huán)穿越頻率,阻尼比及零極點(diǎn)比值的解析關(guān)系。綜合考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶寬及穩(wěn)定裕度的約束,完成基于極點(diǎn)配置方法的橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)品質(zhì)良好,具備充足的穩(wěn)定裕度,文章提出的設(shè)計(jì)方法有效。

      參考文獻(xiàn)

      [1]程云龍.防空導(dǎo)彈自動駕駛儀設(shè)計(jì)[M].北京:中國宇航出版社,1994.

      [2]MRAEK C P,RIDGELY D B. Missile Longitudinal Autopilots Connections Between Optimal Control and ClassicalTopologics [R]. AIAA 2005 -6381,2005.

      [3]Nesline,F(xiàn).W,Wells,B.B.and Zarchan,P.A Combined Optimal/Classical Approach to Robust Missle Autopilot Design.AIAA Guidance and control Conference,1979,79-1731.

      作者簡介:陳海燕(1981-),女,漢族,甘肅蘭州,空空導(dǎo)彈研究院助理工程師,本科,研究方向:制導(dǎo)仿真。

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