基于極點(diǎn)配置的橫滾自動駕駛儀設(shè)計(jì)

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.

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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。