基于BTT的反魚(yú)雷魚(yú)雷偏航角速率控制器設(shè)計(jì)

高 璇，周徐昌，潘 遜

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基于BTT的反魚(yú)雷魚(yú)雷偏航角速率控制器設(shè)計(jì)

高 璇，周徐昌，潘 遜

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

反魚(yú)雷魚(yú)雷(ATT)的機(jī)動(dòng)性對(duì)于其成功攔截來(lái)襲魚(yú)雷的概率有著重要作用, 而隨著ATT機(jī)動(dòng)性的提高, 對(duì)其控制的難度也越來(lái)越大, 這就對(duì)ATT的控制器設(shè)計(jì)提出了更高的要求?？梢赃x用傾斜轉(zhuǎn)彎(BTT)控制方式來(lái)提高ATT的機(jī)動(dòng)性。研究了常規(guī)的比例-積分-微分(PID)控制, 智能PID控制, 預(yù)測(cè)函數(shù)控制(PFC)和模糊自適應(yīng)PID控制, 并將它們分別應(yīng)用于ATT的偏航角速率控制。仿真結(jié)果表明, 相對(duì)常規(guī)PID控制, 智能PID控制、PFC和模糊PID控制時(shí), 系統(tǒng)控制過(guò)程平滑、無(wú)超調(diào), 系統(tǒng)響應(yīng)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確, 且結(jié)果簡(jiǎn)單, 實(shí)用性強(qiáng)。相比較而言, PFC相對(duì)智能PID控制和模糊PID控制響應(yīng)速度更快, 而且計(jì)算量小, 更適應(yīng)ATT偏航角速率控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求。

反魚(yú)雷魚(yú)雷; 傾斜轉(zhuǎn)彎; 機(jī)動(dòng)性; 偏航角速率; 控制器

0 引言

傾斜轉(zhuǎn)彎(bank to turn, BTT)技術(shù)是飛機(jī)常用的控制方式, 現(xiàn)代導(dǎo)彈也采用了這種控制方式。在導(dǎo)彈截?fù)裟繕?biāo)的過(guò)程中, 隨時(shí)繞其縱軸轉(zhuǎn)動(dòng), 使其所要求的法向過(guò)載矢量始終落在導(dǎo)彈對(duì)稱面上或者中間對(duì)稱軸上[1-3]。導(dǎo)彈在尋的過(guò)程中保持彈體相對(duì)縱軸穩(wěn)定不動(dòng), 控制其在俯仰和偏航平面上產(chǎn)生相應(yīng)的法向過(guò)載, 其總的法向力指向控制率所要求的方向上, 這種控制方式稱為側(cè)滑轉(zhuǎn)彎(skid to turn, STT)技術(shù)。

現(xiàn)代魚(yú)雷普遍采用STT控制方式, STT控制技術(shù)對(duì)于中近程、小機(jī)動(dòng)的魚(yú)雷較為適宜, 但對(duì)超大機(jī)動(dòng)魚(yú)雷和遠(yuǎn)程攔截魚(yú)雷, 尤其是反魚(yú)雷魚(yú)雷(anti-torpedo torpedo, ATT)要求魚(yú)雷阻力小、機(jī)動(dòng)過(guò)載大, STT方式則不適用。因此, 有必要采用更有效的控制策略, 以提高ATT的機(jī)動(dòng)性, BTT控制技術(shù)可以作為ATT控制方式的一個(gè)選擇[4]。

BTT控制技術(shù)與STT控制技術(shù)的根本區(qū)別就在于, 在截?fù)裟繕?biāo)的過(guò)程中, 采用STT控制方式的魚(yú)雷利用側(cè)滑轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和導(dǎo)引, 而采用BTT控制方式的魚(yú)雷則利用傾斜轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)。魚(yú)雷采用傾斜轉(zhuǎn)彎的BTT控制方式, 就是先使魚(yú)雷滾動(dòng)一定的角度, 使其法向過(guò)載矢量與其中心對(duì)稱軸重合, 這樣魚(yú)雷可以獲得更大的轉(zhuǎn)彎力矩, 從而達(dá)到更小的轉(zhuǎn)彎半徑和更大的轉(zhuǎn)彎角速度, 以提高其機(jī)動(dòng)能力[5-6]。

1 ATT的BTT模型

1.1 STT魚(yú)雷模型

魚(yú)雷的空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型可由6個(gè)動(dòng)力學(xué)方程和9個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述, 在雷體坐標(biāo)系下, 文獻(xiàn)[7]給出了魚(yú)雷空間運(yùn)動(dòng)方程的基本形式。方程組中包含了復(fù)雜的粘性力非線性項(xiàng), 但是在魚(yú)雷的初始設(shè)計(jì)和研究階段, 不需要花費(fèi)大量的人力物力去獲得粘性力的具體形式, 粘性力的線性項(xiàng)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此, 為研究方便, 需作一定假設(shè): 1) 魚(yú)雷為剛體, 其外形關(guān)于縱平面平面對(duì)稱; 在附加質(zhì)量的計(jì)算中, 忽略不計(jì)魚(yú)雷外形可能存在的關(guān)于平面的不對(duì)稱性; 2) 魚(yú)雷完全浸沒(méi)在流體介質(zhì)中, 并處于全沾濕狀態(tài), 且流體介質(zhì)為理想流體; 3) 坐標(biāo)系為原點(diǎn)在魚(yú)雷浮心的雷體坐標(biāo)系; 4) 流體動(dòng)力位置力及阻尼力滿足線性條件; 5) 不考慮地球的自轉(zhuǎn)和地球的曲率, 近似認(rèn)為地球坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系; 6) 魚(yú)雷質(zhì)量恒定, 且不計(jì)魚(yú)雷的慣性積。

1.2 BTT魚(yú)雷模型

則位置力大小為

因此, 魚(yú)雷的側(cè)向空間運(yùn)動(dòng)方程組變?yōu)?/p>

式(2)~式(5)為基于BTT的ATT側(cè)向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程式, 與原STT模型運(yùn)動(dòng)學(xué)方程一起組成基于BTT的ATT側(cè)向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

2 ATT偏航角速率控制器

2.1 控制器設(shè)計(jì)

2.1.1 智能比例-積分-微分控制器

魚(yú)雷作為控制對(duì)象具有非線性和時(shí)變的特性, 采用定參數(shù)比例-積分-微分（proportion integration differentiation, PID)控制方法很難在魚(yú)雷追蹤目標(biāo)過(guò)程中獲得很好的穩(wěn)定性。因此, 智能PID控制器的設(shè)計(jì)思想是將參數(shù)K用時(shí)變的K()代替, 改善PID控制器的品質(zhì)[8-11]。智能PID控制器的輸出應(yīng)為

智能PID控制的關(guān)鍵是利用人工智能方法來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)變的K()函數(shù)。為了提高控制系統(tǒng)的控制精度, 根據(jù)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)方法, 引入單神經(jīng)元控制。單神經(jīng)元的適應(yīng)性是通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)的, 學(xué)習(xí)方式可分為無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)和監(jiān)督學(xué)習(xí)。無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)是在缺乏外界所提供的任何形式的反饋條件下所進(jìn)行的學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)又稱有導(dǎo)師學(xué)習(xí), 通過(guò)逐步調(diào)整權(quán)值減少實(shí)際輸出向量和預(yù)期輸出向量之間的差異。對(duì)于有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則為

2.1.2 PFC控制器

預(yù)測(cè)函數(shù)控制(predictive functional control, PFC)在保持模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 通過(guò)引入基函數(shù)的概念, 增強(qiáng)了輸入控制量的規(guī)律性, 提高了快速性和準(zhǔn)確性, 可有效地減少算法的在線計(jì)算量[12]。圖1所示為PFC控制基本原理框圖。

圖1 預(yù)測(cè)函數(shù)控制基本原理方框圖

PFC把控制輸入的結(jié)構(gòu)視為確?？刂葡到y(tǒng)性能的關(guān)鍵, 新加入的控制作用可表示為若干個(gè)已知從函數(shù)的線性組合, 即

2.1.3 模糊PID控制器

圖2 模糊自適應(yīng)比例-積分-微分控制器結(jié)構(gòu)

2.2 ATT偏航角速率控制系統(tǒng)

由某種導(dǎo)引率算出魚(yú)雷的法向加速度, 實(shí)際上等價(jià)于求出的是魚(yú)雷的偏航角速率, 這個(gè)角速率就是魚(yú)雷按照理論彈道航行所希望的偏航加速率。而對(duì)于魚(yú)雷的偏航控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 這個(gè)偏航角速率也就是魚(yú)雷所希望的參考輸入。該角速率也確定了魚(yú)雷的偏航舵角, 以此來(lái)控制魚(yú)雷, 使其實(shí)際的偏航角速率趨于這個(gè)參考輸入。所以, 不管采用何種方式對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行導(dǎo)引, 魚(yú)雷水平面內(nèi)的控制就是偏航角速率的控制。ATT在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)也是由其偏航角速率控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的, 在基于BTT的ATT側(cè)向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建立的ATT偏航角速率控制系統(tǒng)的SIMULINK模型如圖3所示。

圖3 反魚(yú)雷魚(yú)雷偏航角速率控制系統(tǒng)SIMULINK模型

2.3 控制系統(tǒng)仿真

設(shè)魚(yú)雷的偏航角速率回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的零型系統(tǒng), 對(duì)于階躍輸入存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差, 首先采用常規(guī)PID控制方法對(duì)其進(jìn)行控制。

根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo), 可求出PID控制器的參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

由仿真結(jié)果可知, 在偏航角速率控制器設(shè)計(jì)中, 常規(guī)的PID控制系統(tǒng)存在著振蕩、超調(diào)。和常規(guī)PID控制相比, 采用智能PID控制、PFC控制和模糊PID控制時(shí), 系統(tǒng)控制過(guò)程平滑、無(wú)超調(diào), 系統(tǒng)響應(yīng)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確, 且結(jié)果簡(jiǎn)單, 實(shí)用性強(qiáng)。相比較而言, PFC控制相對(duì)智能PID控制和模糊PID控制響應(yīng)速度更快, 且計(jì)算量小, 能適應(yīng)ATT偏航角速率控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求。

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Design of Yaw Angular Velocity Controller for Anti-Torpedo Torpedo Based on Bank-to-Turn

GAO Xuan， ZHOU Xu-chang, PAN Xun

(Department of weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China )

To enhance maneuverability of anti-torpedo torpedo(ATT), a new yaw angular velocity controller for ATT is designed by analyzing and adopting conventional PID control, intelligent PID control, predictive functional control(PFC), and fuzzy adaptive PID control, respectively based on bank-to-turn(BTT) control mode. Simulation results show that, compared with conventional PID control, intelligent PID control, PFC and fuzzy adaptive PID control make system control process smoother, faster and more accurate without overshoot. Particularly, PFC is more suitable for yaw angular velocity control of ATT because of its fastest response and least calculation.

anti-torpedo torpedo(ATT); bank-to-turn(BTT); maneuverability; yaw angular velocity; controller

TJ630.33

A

1673-1948(2012)05-0359-04

2012-02-28;

2012-04-26.

高 璇(1980-), 男, 博士, 主要研究方向?yàn)橹茖?dǎo)與控制技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)