彈道修正彈修正舵機控制策略研究

（沈陽理工大學兵器科學研究中心，遼寧 沈陽 110159）

二維彈道修正是指對彈丸橫向和縱向兩個方向均進行修正，主要以修正橫向為主，通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸飛向目標[1]。修正舵機減旋是高旋穩(wěn)定彈丸修正的關(guān)鍵，減旋的目的是提高修正的準確度和降低修正的難度。通過調(diào)整修正彈舵機在空中飛行時的不同空中姿態(tài)（相對于大地）和垂直舵機表面的氣動力來改變修正彈的飛行軌跡，使其按照標準彈道飛行。彈丸在飛行的過程中，舵機一直處于高速旋轉(zhuǎn)，只有彈丸飛行到可修段（速度小于2馬赫）時，控制電機實現(xiàn)彈丸在飛行過程中修正舵機的減旋，使舵機保持在相對較低的轉(zhuǎn)速(60 r/min～120 r/min)下轉(zhuǎn)動。彈載計算機根據(jù)實測彈丸坐標及彈道偏差，解算出修正量，控制系統(tǒng)再控制彈上修正舵機根據(jù)修正量的大小和方向進行有限次的不連續(xù)的動作，從而實現(xiàn)對彈丸在縱向和橫向上的修正。通過對修正鴨舵的工作原理及其受力分析提出了彈道修正彈的控制策略，所設(shè)計的彈道修正機構(gòu)的電機控制控制系統(tǒng)能夠達到修正彈的基本要求，為高速旋轉(zhuǎn)彈丸的二維修正提供了參考依據(jù)。

1 修正彈的總體結(jié)構(gòu)

1.1 修正舵機的結(jié)構(gòu)布局

修正舵機結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，彈道修正彈的設(shè)計是在原有的“笨蛋”頭部安裝個具有修正能力的修正裝置，把它改裝成智能控制彈藥。修正舵機采用空氣動力鴨式舵機執(zhí)行機構(gòu)，修正系統(tǒng)由修正部、姿態(tài)測量與導航裝置和控制部三部分組成。

圖1修正舵機結(jié)構(gòu)布局圖

修正部分通過深溝球軸承與控制部分相連，軸承起到隔離轉(zhuǎn)速作用，因此兩者能夠相互自由旋轉(zhuǎn)?？刂撇康闹黧w結(jié)構(gòu)安裝在彈體內(nèi)部，控制部分內(nèi)裝有防過載的緩沖裝置，能夠有效地減少修正部件、控制部中的電子元器件和電機在彈丸發(fā)射時所受到的沖擊力?？紤]到彈載全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導航系統(tǒng)(INS)組合制導需要在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，測量信號狀態(tài)穩(wěn)定性，姿態(tài)探測與GPS導航系統(tǒng)裝在修正機構(gòu)的內(nèi)部。根據(jù)控制方案要求，修正舵機需在彈丸的飛行過程中處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以把姿態(tài)測量與導航裝置放置在修正部內(nèi)腔里更能有效地檢測修正舵機的空間信息。

1.2 鴨舵執(zhí)行機構(gòu)

固定式鴨舵執(zhí)行機構(gòu)的工作原理是通過彈體姿態(tài)控制指令使舵機帶動舵面偏轉(zhuǎn)，從而改變彈體的飛行姿態(tài)，并利用空氣阻力改變彈丸的飛行速度[6]。

修正彈控制部分的舵機結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，十字型鴨舵包含一對操縱舵和一對偏航舵，其中1號舵片和3號舵片以某一固定的舵偏角同向平行安裝，稱為操縱舵。當需要修正時，舵機會根據(jù)彈載計算機的控制指令控制1號舵片和3號舵片的位置，使其為彈丸提供相應(yīng)的飛行控制力。2號舵片和4號舵片為一對以某一舵偏角反向差動安裝的舵片，稱為偏航舵。偏航舵的偏角為6°，其作用是在彈丸處于無控飛行階段，為彈體頭部提供與彈丸旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩。

圖2十字鴨舵結(jié)構(gòu)

2 修正舵機修正力矩分析

當彈丸出膛后，修正舵機不僅受升力和阻力作用，而且受到舵翼旋轉(zhuǎn)形成的導轉(zhuǎn)力矩與軸承摩擦力矩共同作用，在修正時會受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用。這些力和力矩所形成的合力矩使得修正舵機旋轉(zhuǎn)到最佳修正位置，鴨舵所受力矩如圖3所示。

圖3 鴨舵力矩分析圖

修正舵機系統(tǒng)為一慣性系統(tǒng)，其輸出與輸入無直接關(guān)系[7]，故在進行修正舵機停止某角度控制時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是必須要考慮的因素。根據(jù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動能定理：

整理式（2）可得目標角度的表達式：

式中：θ為目標停止角度，單位為(°)；J為舵機系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，單位為 kg·m2；ω1，ω2為舵片停止前后的角速度，角速度單位為rad/s；Me為電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；M1為軸承摩擦力矩和慣性力矩之和，單位為N·m；M2為風阻力矩，單位為 N·m.其中，J，M2經(jīng)過對樣機多次試驗測量計算出的合理數(shù)據(jù)。

彈載GPS和INS組合制導檢測彈丸的飛行姿態(tài)，達到修正條件，彈載計算機發(fā)出修正控制命令控制系統(tǒng)以當前的各參數(shù)解算出停止轉(zhuǎn)動所需的時間與該時間內(nèi)標定舵片所需轉(zhuǎn)過的角度θ.如圖4所示，然后標定舵機在下一次旋轉(zhuǎn)到預(yù)調(diào)整位置時提前θ角度，修正力矩作用執(zhí)行停止旋轉(zhuǎn)動作。

圖4舵機角度控制示意圖

3 控制策略及實驗分析

修正舵機采用永磁同步直流電機作為控制電機，控制方式為斬波調(diào)壓，改變輸出PWM波占空比調(diào)整電樞回路電流，從而改變驅(qū)動電機的輸出力矩，直到達到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)完成減旋過程，進而通過控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩使模擬舵機停止到某一預(yù)設(shè)角度。

永磁直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)的控制策略理論上已經(jīng)比較完善，比如傳統(tǒng)的PID控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、采用微分幾何理論的解耦控制、模型參考自適應(yīng)控制等，這些控制策略都可以使系統(tǒng)性能得到改善和提高。但這些理論仍然建立在對象精確的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，有的需要大量的傳感器、觀測器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。由于修正彈彈丸內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的局限性，致使電機的控制系統(tǒng)不能太過復(fù)雜，但是修正舵機又需要較高精度的控制，故本文采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)(見圖5)，一方面減少了系統(tǒng)復(fù)雜度，同時也滿足舵機修正精度的要求。

圖5直流無刷電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

采用雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)兩者之間實行串行聯(lián)接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的輸出當作電流調(diào)節(jié)的輸入，電流采樣為電流負反饋提供信息，這樣的控制方式可以使電機控制系統(tǒng)能夠滿足穩(wěn)、準、快的基本要求[6]。在用電流調(diào)節(jié)的輸出去改變輸入電壓，最終都是通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)控制。通過光電編碼器提供電機的位置、轉(zhuǎn)速等信息反饋到控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)修正電機的位置姿態(tài)調(diào)整。

舵機系統(tǒng)的控制方法在考慮軸承摩擦力矩和慣性力矩對系統(tǒng)的影響情況下，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1舵片修正角度偏差

由表1可知，角度偏差在7.5°范圍內(nèi)，很大程度地提高了舵機修正精度。角度偏差數(shù)據(jù)分析表明，電機的轉(zhuǎn)速越大舵片停止角度偏差呈增大趨勢，當電機轉(zhuǎn)速達到7200時角度偏差為7.5°。舵機修正原理是通過有限次不連續(xù)的動作來完成對舵片的控制，從而達到二維修正的目標。該系統(tǒng)在一定精度上實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)彈的二維修正，為后續(xù)高精度的舵機修正系統(tǒng)的研究提供了實驗依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種彈道修正彈電動舵機減旋和停止角度的控制方法，通過理論分析和平臺實驗的驗證。所設(shè)計的彈道修正機構(gòu)的電機控制控制系統(tǒng)能夠達到修正彈的基本要求，結(jié)果表明該控制方法人為機械特性好，并能夠達到相應(yīng)的控制準確性，良好的快速性和穩(wěn)定性，基本能夠達到二維彈道修正系統(tǒng)對氣動舵機的控制要求，為后續(xù)的彈道修正的進一步研究提供了很好的參考依據(jù)。

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