隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部簡化跟蹤控制策略

滕　璽，米雙山，邵　逸

(1.解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠　233000；3.空軍都江堰航空醫(yī)學(xué)鑒定訓(xùn)練中心，四川 成都　611833)

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隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部簡化跟蹤控制策略

滕璽1,2，米雙山1，邵逸3

(1.解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003；2.裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠233000；3.空軍都江堰航空醫(yī)學(xué)鑒定訓(xùn)練中心，四川 成都611833)

摘要:針對一般控制策略過高地追求控制精度，會(huì)增加隨動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜程度，帶來過重的計(jì)算負(fù)擔(dān)以及可靠性和控制速度下降的問題，提出了隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部簡化跟蹤控制策略。該策略改變了一般控制策略全面提升控制速度、精度與穩(wěn)定性的改進(jìn)思路，將空間劃分為若干區(qū)域，使戰(zhàn)斗部本體只對準(zhǔn)目標(biāo)所在區(qū)域中心，進(jìn)行離散跟蹤，并結(jié)合粗糙集約簡理論，簡化控制規(guī)則。仿真結(jié)果顯示，降低跟蹤精度不會(huì)影響對目標(biāo)的毀傷效果，簡化跟蹤控制策略能夠有效彌補(bǔ)精確跟蹤控制穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)，并且可以提高跟蹤速度，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾與過載的能力，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升可靠性。

關(guān)鍵詞:隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部；伺服控制；粗糙集；空間劃分

0引言

隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部是利用目標(biāo)方位信息，通過伺服系統(tǒng)進(jìn)行隨動(dòng)控制，使戰(zhàn)斗部本體對準(zhǔn)目標(biāo)實(shí)施定向爆破的戰(zhàn)斗部[1-2]。其隨動(dòng)系統(tǒng)一般是采用經(jīng)典PID控制策略，但由于工作時(shí)環(huán)境復(fù)雜，過載很大且具有時(shí)變性、非線性等，傳統(tǒng)PID控制已經(jīng)不能得到很好的控制效果。

針對上述問題，文獻(xiàn)[3—4]等提出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或智能優(yōu)化的方法，使隨動(dòng)系統(tǒng)具有了自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，提高了精度以及魯棒性，但同時(shí)也會(huì)增加隨動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，不穩(wěn)定因素增多，可靠性以及控制速度也會(huì)下降。秦莉等人采用免疫算法和遺傳算法，大幅度提高了系統(tǒng)的精度和對振動(dòng)的抑制能力，但是在高速瞄準(zhǔn)的工作過程中，沒有時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算[5]。

隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部工作有其自身的特點(diǎn)，在彈目交匯瞬間爆破，破片飛散過程隨機(jī)性較大，且與伺服外框以及彈體等發(fā)生碰撞后會(huì)產(chǎn)生飛散方向的偏移，所以，一般的控制策略過高得追求控制精度，對于毀傷目標(biāo)意義不大，反而會(huì)增加隨動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，帶來過重的計(jì)算負(fù)擔(dān)以及可靠性和控制速度的下降。本文針對此問題，提出了隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部簡化跟蹤控制策略。

1簡化跟蹤控制原理

傳統(tǒng)的隨動(dòng)控制是連續(xù)的，即控制信號(hào)持續(xù)送出使戰(zhàn)斗部跟隨目標(biāo)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[6]。這種控制方式能夠最大限度地保持精度，但也會(huì)帶來很多問題，比如，當(dāng)上位機(jī)傳達(dá)了一個(gè)控制信號(hào)，由于系統(tǒng)慣性等原因，戰(zhàn)斗部還未達(dá)到指定位置，下一控制信號(hào)已經(jīng)送出，容易造成誤差積累，并影響穩(wěn)定性。

簡化跟蹤控制的核心是將瞄準(zhǔn)空間劃分為有限個(gè)區(qū)域，當(dāng)目標(biāo)位于某個(gè)區(qū)域時(shí)，隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部始終瞄準(zhǔn)該區(qū)域中心位置；當(dāng)目標(biāo)在此區(qū)域小范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，戰(zhàn)斗部不運(yùn)動(dòng)；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到另一區(qū)域時(shí)，戰(zhàn)斗部立即運(yùn)動(dòng)，瞄準(zhǔn)這一區(qū)域中心位置[7]。建立專家控制系統(tǒng)，利用粗糙集理論和分離隨動(dòng)系統(tǒng)的方法約簡控制規(guī)則，減小了控制負(fù)擔(dān)。

1.1瞄準(zhǔn)空間劃分

如圖1所示，將瞄準(zhǔn)空間劃分為若干區(qū)域，其劃分粗細(xì)(即分辨率)由不同隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)任務(wù)而定。當(dāng)分辨率不斷上升到一定程度時(shí)，就相當(dāng)于傳統(tǒng)的連續(xù)控制隨動(dòng)控制。

圖1　瞄準(zhǔn)空間示意圖Fig.1　Schematic plot of aimed space

根據(jù)導(dǎo)引頭探測目標(biāo)與導(dǎo)彈相對位置，判斷由戰(zhàn)斗部中心點(diǎn)向外所作出的射線所穿過區(qū)域是否為彈目連線所穿過區(qū)域，若是，則保持現(xiàn)有瞄準(zhǔn)狀態(tài)；若否，則控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使戰(zhàn)斗部對準(zhǔn)目標(biāo)瞄準(zhǔn)區(qū)域中心位置。

1.2粗糙集約簡理論

決策表中的所有條件屬性對于決策而言并非同等重要，主要存在兩類冗余[8]：一是從整體角度而言的屬性冗余；二是某些對象在該屬性上的取值可能存在冗余，即屬性值的冗余。影響隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部的因素一般考慮有：誤差量、誤差變化量、導(dǎo)彈過載矢量以及擾動(dòng)大小等。這些因素在整體上都是必要的，但是在某些情況下一部分因素沒有必要，所以直接采用屬性值約簡。

(1)

(2)

(3)

(4)

?Gi?Ti，若Gi相對決策D是獨(dú)立的且有：

∩{(α,υ)|?(α,υ)∈Gi}?[xi]D,(xi∈UDT(OB))

(5)

則稱Gi是Ti相對決策D的一個(gè)值約簡，且Gi∈REDTi(D)，其中，REDTi(D)表示范疇族Ti的全體相對決策D的值約簡組成的集合。

1.3毀傷效能分析

隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部在攻擊戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(TBM)時(shí)，彈目間的相對速度可達(dá)3 000m/s。所以只要有一定質(zhì)量(超過25g)的破片撞擊目標(biāo)就可造成較大毀傷[9]。單枚破片的平均質(zhì)量約為45g，所以可以認(rèn)定一枚破片即可有效毀傷目標(biāo)，所需破片場密度為[10]：

(6)

戰(zhàn)斗部在靜態(tài)起爆后，破片場密度為：

(7)

式(7)中，rs為靜態(tài)起爆后圓形破片場半徑，n為破片數(shù)目，d為破片飛行距離，θ為破片束的半錐角。

毀傷目標(biāo)半徑一般在0.5～2m之間，預(yù)置破片通常在200枚以上，殺傷距離和破片束錐角一般分別為10～30m和5°～40°，即簡化跟蹤控制足以毀傷目標(biāo)。

2簡化跟蹤控制設(shè)計(jì)

2.1隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部模型的建立

如圖2所示，現(xiàn)行的隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部一般為雙軸伺服系統(tǒng)，即分別對俯仰和偏航兩個(gè)自由度進(jìn)行控制，正常情況下可以簡化為線性二階環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，但是由于過載和摩擦現(xiàn)象，使控制對象具有非線性[11]。

圖2　隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部示意圖Fig.2　Schematic of servo aimable warhead

伺服電機(jī)采用直流電機(jī)，忽略電樞電感，可以得到隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(9)

將(6)式轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程：

(10)

2.2粗糙控制決策表的設(shè)計(jì)

將整體控制系統(tǒng)拆分為兩個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，即俯仰隨動(dòng)和方位隨動(dòng)，簡化控制決策表。條件屬性為：誤差量(e)、誤差變化量(Δe)、相對過載矢量(γ)和隨機(jī)擾動(dòng)(B)。其中，相對過載矢量為導(dǎo)彈實(shí)時(shí)過載矢量在誤差方向的投影。經(jīng)過屬性值約簡以后，得到控制決策表。其中e、Δe、γ和u的語言值設(shè)定為7個(gè)，{負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}；B的語言值設(shè)定為兩個(gè)，{小(S)、大(B)}。

表1　粗糙控制決策表

設(shè)論域?qū)挾葹長、取模糊量化因子為K=12/L，利用加權(quán)平均法進(jìn)行清晰化處理，得到控制器輸出：

(11)

式(11)中，μi為i點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值。

2.3控制系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

對俯仰和方位兩個(gè)伺服系統(tǒng)均采用表1所示的粗糙控制決策表和圖3所示的simulink仿真模型，輸入為位置信號(hào)、相對過載矢量信號(hào)和隨機(jī)擾動(dòng)信號(hào)。

圖3　隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部粗糙控制simulink仿真模型Fig.3　Simulink simulation structure of Rough tracking control of servo aimable warhead

3仿真與分析

3.1粗糙跟蹤與精確跟蹤毀傷效果比較

不考慮控制系統(tǒng)失穩(wěn)，比較不同分辨率簡化跟蹤控制以及精確控制在不同干擾過載的情況下的毀傷目標(biāo)效果。

圖4　粗糙跟蹤與精確跟蹤毀傷效果比較Fig.4　Damage effect comparison of rough tracking and precise tracking

如圖4所示，分辨率從由低變高，散布在有效區(qū)域的破片密度也由低到高。隨著干擾和過載的不斷加強(qiáng)，控制精度對破片密度的影響也逐漸降低。根據(jù)式(6)和式(7)，粗糙控制的破片密度足以達(dá)到毀傷目標(biāo)要求，所以，在強(qiáng)干擾與過載的情況下，控制精度對破片密度的影響較小，過高的追求控制精度意義不大，而且會(huì)造成增加隨動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，過重的計(jì)算負(fù)擔(dān)以及可靠性和控制速度的下降等問題。

3.2粗糙跟蹤與精確跟蹤控制效果比較

1)精確跟蹤控制，工作環(huán)境分別為無干擾過載、弱干擾過載和強(qiáng)干擾過載，控制輸入為階躍信號(hào)。

如圖5所示，精確跟蹤控制的位置精度很高，對過載與干擾有一定的抵抗能力，但同樣需要時(shí)間進(jìn)行自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)，且系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性不高。

2)強(qiáng)干擾過載情況下的簡化跟蹤控制，控制輸入采用階躍與方波信號(hào)，并假設(shè)目標(biāo)正好在所劃分區(qū)域的中心位置，即不考慮精度問題。

圖5　精確跟蹤控制階躍響應(yīng)Fig.5　Step response of precise tracking control

如圖6所示，簡化跟蹤控制在強(qiáng)干擾與大過載的情況下，仍然能快速穩(wěn)定的跟蹤目標(biāo)，到達(dá)指定位置，控制效果好，并且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

仿真結(jié)果顯示，簡化跟蹤控制能夠得到良好的控制效果，在大過載、強(qiáng)干擾的情況下都能使隨動(dòng)系統(tǒng)較好的跟隨指令進(jìn)行響應(yīng)，相較于精確跟蹤控制有較大優(yōu)勢。就階躍響應(yīng)而言，控制結(jié)果比較如表2所示，無論是在上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量方面，簡化跟蹤控制策略都有其優(yōu)越性。

圖6　簡化跟蹤控制階躍與方波信號(hào)響應(yīng)Fig.6　Step response and square wave response of Rough tracking control

精確跟蹤控制無干擾過載弱干擾過載強(qiáng)干擾過載簡化跟蹤控制上升時(shí)間/s0.2200.0780.0720.025調(diào)節(jié)時(shí)間/s0.2500.2500.4500.050超調(diào)量<1%16%39%<1%

4結(jié)論

本文提出了隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部簡化跟蹤控制策略。該策略放棄了一般控制策略對控制速度、精度和穩(wěn)定性的全面追求，根據(jù)隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部的工作特點(diǎn)，把重點(diǎn)放在了控制速度與穩(wěn)定性上。通過理論分析計(jì)算與仿真驗(yàn)證表明， 這種控制策略通過瞄

準(zhǔn)空間劃分所降低的隨動(dòng)定向戰(zhàn)斗部的跟蹤精度，不會(huì)對毀傷目標(biāo)造成太大影響，且能有效增加系統(tǒng)抗干擾過載能力，加快控制速度，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性。

防空導(dǎo)彈搭載簡化跟蹤控制策略的分辨率選擇、空間劃分形式等，需要根據(jù)導(dǎo)彈與毀傷目標(biāo)類型來選擇性應(yīng)用，參數(shù)的確定也需要進(jìn)一步實(shí)踐確定。

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Servo Aimable Warhead Rough Tracking Control Strategy

TENG Xi1,2, MI Shuangshan1, SHAO Yi3

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China; 2. Armored Force Institute of PLA,Bengbu 233000, China;3. Dujiangyan Air Force Aviation Medicine Appraisal Training Center, Chengdu 611833, China)

Abstract:Common control strategies of servo aimable warhead pursuit high precision, which has little effect on destroying target, and increase the complexity and amount of calculation of the servo system and reduce control speed and reliability. Aiming at this problem, based on verify the necessity of high control precision, a strategy of rough tracking control was designed. This method changed the thoughts that improve the speed, accuracy and stability of the control. It divided space into several regional areas, warhead only aim at the center of the target area and then tracking discretely. Combining the theory of rough intensive Jane, it simplified the control rules. The simulation results showed that, comparing with the precise tracking control, rough tracking control strategies did not affect the damage effect without high-precision, and it not only could speedup the tracking, enhance system anti-jamming and anti-overload capability, but also simplified the structure of the system and improve the reliability.

Key words:servo aimable warhead; servo control; rough set; spatial partition

中圖分類號(hào):TP765

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2016)02-0073-05

作者簡介:滕璽(1989—)，男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，研究方向：武器系統(tǒng)建模與仿真。E-mail：jxxytxttx@126.com。

*收稿日期:2015-05-21