基于變結(jié)構(gòu)控制的反魚雷魚雷導(dǎo)引律魯棒性研究

李宗吉, 張西勇, 練永慶

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基于變結(jié)構(gòu)控制的反魚雷魚雷導(dǎo)引律魯棒性研究

李宗吉, 張西勇, 練永慶

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了解決水下目標(biāo)信息參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)率低帶來的制導(dǎo)困難問題, 設(shè)計(jì)了基于變結(jié)構(gòu)控制的反魚雷魚雷(ATT)導(dǎo)引律, 導(dǎo)引律中取變結(jié)構(gòu)控制器使得ATT與來襲魚雷間視線角保持恒定, 且控制器對(duì)模型參數(shù)攝動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性。理論分析表明, 模型參數(shù)攝動(dòng)不影響導(dǎo)引律的穩(wěn)定性, ATT和目標(biāo)間視線角能夠保持恒定。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該導(dǎo)引律對(duì)模型參數(shù)攝動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性, ATT能夠精確命中目標(biāo)。

反魚雷魚雷; 導(dǎo)引律; 變結(jié)構(gòu); 魯棒性

0 引言

傳統(tǒng)魚雷導(dǎo)引律主要有追蹤法、提前角法等, 這些導(dǎo)引律在魚雷攻擊大型水面艦艇和潛艇等大目標(biāo)時(shí)其命中精度在一定條件下能夠滿足要求, 但對(duì)付小目標(biāo)比如魚雷時(shí), 由于制導(dǎo)精度差, 很難對(duì)目標(biāo)造成殺傷[1-2]。在設(shè)計(jì)基于變結(jié)構(gòu)控制的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo,ATT)導(dǎo)引律的基礎(chǔ)上, 對(duì)導(dǎo)引律的魯棒性進(jìn)行了研究。由于目標(biāo)信息參數(shù)測(cè)量中存在誤差, 比如ATT和目標(biāo)的距離以及距離的導(dǎo)數(shù), 這些參數(shù)在測(cè)量和估計(jì)時(shí)不可能完全準(zhǔn)確, 誤差可能會(huì)對(duì)導(dǎo)引律的命中精度產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[1]研究了變結(jié)構(gòu)ATT導(dǎo)引律, 從推導(dǎo)過程看導(dǎo)引律的穩(wěn)定性結(jié)論并不成立, 對(duì)其魯棒性也沒有進(jìn)行分析。本文在設(shè)計(jì)基于變結(jié)構(gòu)控制的ATT導(dǎo)引律的基礎(chǔ)上就模型參數(shù)測(cè)量誤差對(duì)導(dǎo)引律的穩(wěn)定性影響進(jìn)行了理論分析, 并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 ATT導(dǎo)引律

以平面內(nèi)情況為例, ATT-來襲魚雷相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 平面內(nèi)ATT-來襲魚雷相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系

由圖1可導(dǎo)出

令

將式(4)~式(7)代入式(2)和式(3), 并考慮式(1), 得

基于準(zhǔn)平行接近原理, 選取切換平面為[3-4]

根據(jù)式(11) , 構(gòu)造滑模趨近律

將式(12)和式(11)代入式(13), 得滑模制導(dǎo)律

2 導(dǎo)引律的魯棒性分析

把式(14)代入式(16), 得

3 仿真結(jié)果與分析

仿真模型如下

從仿真結(jié)果可以看出, 參數(shù)測(cè)量誤差不影響ATT與目標(biāo)視線角保持恒定, 對(duì)ATT和目標(biāo)彈道影響甚小。ATT和目標(biāo)彈道是通過解算式(18)得到的ATT和目標(biāo)航向角繪制ATT和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡而得到的, 從仿真結(jié)果可以看出, ATT精確命中目標(biāo), 命中點(diǎn)處細(xì)化圖存在的誤差是由于仿真存在截?cái)嗾`差造成的。仿真結(jié)果與前面理論推導(dǎo)的結(jié)論一致。

圖2 目標(biāo)不作機(jī)動(dòng)時(shí)ATT與目標(biāo)視線角隨時(shí)間變化曲線

圖3 目標(biāo)不作機(jī)動(dòng)時(shí)ATT 與目標(biāo)視線角速度隨時(shí)間變化曲線

圖4 目標(biāo)不作機(jī)動(dòng)時(shí)ATT航向角隨時(shí)間變化曲線

圖5 目標(biāo)不作機(jī)動(dòng)時(shí)ATT和目標(biāo)彈道曲線

圖6 目標(biāo)不作機(jī)動(dòng)時(shí)命中點(diǎn)處彈道細(xì)化圖

圖7 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)時(shí)ATT與目標(biāo)視線角隨時(shí)間變化曲線

從仿真結(jié)果可以看出, 當(dāng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)時(shí), 參數(shù)測(cè)量誤差不影響ATT與目標(biāo)視線角保持恒定, 從圖8可以看出, 測(cè)量誤差對(duì)視線角速度存在干擾,但不影響視線角保持恒定, 從圖10可以看出, 測(cè)量誤差對(duì)ATT和目標(biāo)彈道影響很小, 驗(yàn)證了前面的理論推導(dǎo)。

圖8 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)時(shí)ATT和目標(biāo)視線角速度隨時(shí)間變化曲線

圖9 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)時(shí)ATT航向角隨時(shí)間變化曲線

圖10 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)時(shí)ATT和目標(biāo)彈道

圖11 目標(biāo)蛇形機(jī)動(dòng)時(shí)命中點(diǎn)處彈道細(xì)化圖

4 結(jié)束語

在設(shè)計(jì)反魚雷魚雷導(dǎo)引律的基礎(chǔ)上, 針對(duì)導(dǎo)引律對(duì)參數(shù)誤差的魯棒性進(jìn)行了研究, 通過理論推導(dǎo)證明, 導(dǎo)引律對(duì)參數(shù)攝動(dòng)具有魯棒性, 即導(dǎo)引律模型參數(shù)一定范圍的測(cè)量誤差不會(huì)對(duì)導(dǎo)引律的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。仿真結(jié)果表明, 導(dǎo)引律對(duì)模型參數(shù)的攝動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性, ATT在導(dǎo)引律的作用下準(zhǔn)確命中目標(biāo)。該研究成果對(duì)反魚雷魚雷在目標(biāo)方位信息測(cè)量存在誤差時(shí)也能夠精確命中目標(biāo)具有較大的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Robustness of Anti-Torpedo Torpedo Guidance Law Based on Variable Structure Control

LI Zong-jiZHANG Xi-yongLIAN Yong-qing

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

For solving the difficulty in the guidance of anti-torpedo torpedo(ATT) due to low data ratio of underwater target information detection, an ATT guidance law based on variable structure control is designed, in which a variable structure controller is employed to keep a constant line-of-sight angle between ATT and incoming torpedo, and the controller shows good robustness for perturbation of model parameters. Theoretical analysis shows that perturbation of model parameters has no effect on the stability of the guidance law, and the line-of-sight angle between ATT and target can keep constant. Simulation validates that the proposed guidance law has good robustness for perturbation of model parameters, and the ATT with the guidance can hit target precisely.

anti-torpedo torpedo; guidance law; variable structure; robustness

2014-04-22;

2014-05-28.

船舶工業(yè)國防科技預(yù)研基金項(xiàng)目(401060901-0261-002).

李宗吉(1974-), 男, 副教授, 主要研究方向?yàn)樗斜髦茖?dǎo)與控制技術(shù).

TJ630.33

A

1673-1948(2014)04-0272-05