制導(dǎo)剛度受限時(shí)不同結(jié)構(gòu)駕駛儀對(duì)制導(dǎo)精度的影響分析

栗金平,黎海青,張曉峰,張正同

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

制導(dǎo)剛度受限時(shí)不同結(jié)構(gòu)駕駛儀對(duì)制導(dǎo)精度的影響分析

栗金平,黎海青,張曉峰,張正同

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

為有效提高比例導(dǎo)引制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈近射程作戰(zhàn)能力,需研究制導(dǎo)剛度受限時(shí),不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)駕駛儀對(duì)制導(dǎo)精度的影響。首先對(duì)反坦克導(dǎo)彈比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)形式進(jìn)行了闡述;然后給出常用的自動(dòng)駕駛儀,并對(duì)不同自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比分析;最后分析對(duì)應(yīng)的線性比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)模型,得出在制導(dǎo)剛度受限條件下,阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)制導(dǎo)精度最高。

比例導(dǎo)引;自動(dòng)駕駛儀;頻域分析;時(shí)域分析

0 引言

為有效提高采用比例導(dǎo)引制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈近射程作戰(zhàn)能力,需要研究影響導(dǎo)彈近射程制導(dǎo)精度的因素。自動(dòng)駕駛儀作為制導(dǎo)系統(tǒng)的內(nèi)回路,核心任務(wù)是保證導(dǎo)彈精確、魯棒的跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)生成的輸入指令,使導(dǎo)彈根據(jù)控制指令產(chǎn)生控制力矩和控制力來(lái)改變導(dǎo)彈的攻角,進(jìn)而改變速度矢量方向,使導(dǎo)彈穩(wěn)定飛行直至命中目標(biāo)[1]。自動(dòng)駕駛儀不同,其動(dòng)態(tài)性能必然不同,對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的影響也不盡相同。

目前,根據(jù)自動(dòng)駕駛儀的結(jié)構(gòu)種類(lèi),比例導(dǎo)引制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)形式主要有3種:一是比例導(dǎo)引回路+開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀;二是比例導(dǎo)引回路+阻尼回路駕駛儀;三是比例導(dǎo)引回路+經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀。文中主要分析反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)剛度受限時(shí),即攻擊近射程目標(biāo),比例導(dǎo)引段時(shí)間不能充分滿足彈道收斂要求時(shí),不同駕駛儀對(duì)反坦克導(dǎo)彈近射程制導(dǎo)系統(tǒng)性能的影響。

1 反坦克導(dǎo)彈常用自動(dòng)駕駛儀

反坦克導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀,主要是指導(dǎo)彈的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈體及相應(yīng)的控制器等構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。

1.1 開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀

開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀由過(guò)載指令控制增益、舵機(jī)和彈體組成,結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)框圖

圖1中:nyc為法向過(guò)載指令;ny為法向過(guò)載響應(yīng);ωz為俯仰角速度;Kn1為過(guò)載指令控制增益。

開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀接收制導(dǎo)系統(tǒng)生成的比例導(dǎo)引過(guò)載指令,通過(guò)過(guò)載指令控制增益進(jìn)行放大,得到舵機(jī)指令,舵機(jī)根據(jù)指令產(chǎn)生控制力矩,操縱導(dǎo)彈姿態(tài)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)需用過(guò)載。但是該控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)是彈體傳遞函數(shù),為了獲得適當(dāng)?shù)哪┲茖?dǎo)系統(tǒng)特性,彈體必需穩(wěn)定。另外,為獲得適當(dāng)?shù)挠行?dǎo)航比,要求精確確定導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性[2]。

1.2 阻尼回路自動(dòng)駕駛儀

為了使自動(dòng)駕駛儀具有良好的阻尼特性,在開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀的基礎(chǔ)上增加阻尼回路,即構(gòu)成了阻尼回路自動(dòng)駕駛儀,結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 阻尼回路自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)框圖

阻尼回路自動(dòng)駕駛儀工作原理與開(kāi)環(huán)近似,形成過(guò)載控制指令后,與阻尼回路控制指令綜合后形成舵機(jī)指令,操縱導(dǎo)彈姿態(tài)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)需用過(guò)載。該控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本上是具有理想阻尼和有比彈體自然頻率稍高的二階傳遞函數(shù)的響應(yīng)[2]。但是該控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)彈體的靜不穩(wěn)定范圍是有限的[1]。

1.3 經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀

經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀相對(duì)阻尼回路自動(dòng)駕駛儀,增加了角速度積分增穩(wěn)回路和過(guò)載反饋回路,結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀使用比例導(dǎo)引過(guò)載指令和實(shí)際過(guò)載反饋之間的誤差形成過(guò)載控制指令,綜合角速度積分增穩(wěn)回路指令和阻尼回路指令形成舵機(jī)控制指令。優(yōu)點(diǎn)是既可以保證導(dǎo)彈飛行范圍內(nèi)的有效導(dǎo)航比,又能適應(yīng)靜不穩(wěn)定彈體的控制;缺點(diǎn)是需要的測(cè)量信息較多,實(shí)現(xiàn)時(shí)相對(duì)復(fù)雜。

圖3 經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀結(jié)構(gòu)框圖

1.4 自動(dòng)駕駛儀性能對(duì)比

以某型反坦克導(dǎo)彈氣動(dòng)外形為參考,選取飛行海拔高度為1 400 m、飛行速度為0.3Ma作為設(shè)計(jì)特征點(diǎn),對(duì)3種自動(dòng)駕駛儀線性模型進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)計(jì)算,特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)a1=0.63,a2=98.73,a3=170.86,a4=1.03,a5=0.33,因此對(duì)應(yīng)的彈體傳遞函數(shù)為:

彈體阻尼系數(shù)為0.083。舵機(jī)帶寬為20 Hz,以理想二階環(huán)節(jié)描述其特性,對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為:

對(duì)設(shè)計(jì)的3種駕駛儀線性模型進(jìn)行時(shí)域分析,階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。根據(jù)結(jié)果可知,階躍響應(yīng)上升時(shí)間最短的為開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀,最長(zhǎng)的為經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀,但是由于開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀除了過(guò)載指令控制增益外,傳遞函數(shù)為純彈體傳遞函數(shù),而彈體阻尼系數(shù)僅為0.076,所以其階躍響應(yīng)超調(diào)大,調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng),動(dòng)態(tài)性能差。阻尼回路自動(dòng)駕駛儀與經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀相比,阻尼回路控制增益相同,但是前者對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)短,響應(yīng)快,對(duì)氣動(dòng)參數(shù)、速度和高度的準(zhǔn)確性要求更高。

圖4 3種自動(dòng)駕駛儀階躍響應(yīng)曲線圖

2 駕駛儀對(duì)制導(dǎo)精度的影響分析

反坦克導(dǎo)彈比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)包括平臺(tái)式導(dǎo)引頭、低通濾波器、比例導(dǎo)引律、自動(dòng)駕駛儀、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)。文中分別通過(guò)頻域和時(shí)域分析不同結(jié)構(gòu)駕駛儀對(duì)制導(dǎo)精度的影響。

2.1 制導(dǎo)系統(tǒng)模型

開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀、阻尼回路自動(dòng)駕駛儀和經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀對(duì)應(yīng)的線性制導(dǎo)系統(tǒng)模型分別為圖5～圖7所示。

圖5 開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)模型

圖6 阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)模型

圖7 經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)模型

2.2 制導(dǎo)系統(tǒng)頻域分析

圖8 開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)bode圖

制導(dǎo)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)bode圖表征此飛行狀態(tài)下,比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由bode圖可看出,開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀和經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀對(duì)應(yīng)的制導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定,即在選取的飛行特征點(diǎn)下,開(kāi)環(huán)自動(dòng)駕駛儀和經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀對(duì)應(yīng)比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)的末端發(fā)散距離大于50 m。由于阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)彈道末端發(fā)散最晚,因此3種制導(dǎo)系統(tǒng)在相同導(dǎo)航比條件下,阻尼回路駕駛儀對(duì)應(yīng)比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)的制導(dǎo)精度最高。

圖9 阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)bode圖

2.3 制導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)域分析

導(dǎo)彈攻擊近射程目標(biāo)時(shí),飛行時(shí)間短,對(duì)彈道的快速收斂有極高的要求,自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)不同,制導(dǎo)系統(tǒng)的收斂速度也不相同,導(dǎo)致制導(dǎo)精度也不相同。下面把彈目距離RTM看作變量,分析不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)駕駛儀對(duì)比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)收斂速度的影響。

圖10 經(jīng)典三回路過(guò)載駕駛儀對(duì)應(yīng)制導(dǎo)系統(tǒng)bode圖

圖11 RTM0=200 m時(shí)不同制導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)

通過(guò)對(duì)3種制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析得出,相同條件下,阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)彈道末端發(fā)散最晚,彈道收斂速度最快,因而在制導(dǎo)剛度受限時(shí),其制導(dǎo)精度最高。

3 結(jié)論

文中首先闡述了反坦克導(dǎo)彈比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式;然后對(duì)常用自動(dòng)駕駛儀的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比分析;最后對(duì)不同駕駛儀對(duì)應(yīng)的比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)模型進(jìn)行頻域和時(shí)域分析,得出末制導(dǎo)時(shí)間受限時(shí),阻尼回路自動(dòng)駕駛儀對(duì)應(yīng)的比例導(dǎo)引制導(dǎo)系統(tǒng)彈道末端發(fā)散最晚,收斂速度最快,因而最適用于攻擊近射程目標(biāo)。

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The Impact Analysis of Autopilots with Different Structures on Guidance Accuracy when the Guidance Stiffness was Constrained

LI Jinping,LI Haiqing,ZHANG Xiaofeng,ZHANG Zhengtong

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

In order to improve the combat capability of the anti tank missile using the proportional navigation in the near range, the influence of the autopilots with different structures on the guidance accuracy was studied. First, the form of the anti tank missile’s guidance system using the proportional navigation was described. Then, the common autopilot was given, and the dynamic performance of different autopilots was compared and analyzed. At last, the corresponding linear proportional navigation guidance system model was analyzed. It was concluded that the guidance precision of corresponding guidance system of damping loop autopilot was the highest under the condition of limited guidance stiffness.

proportional navigation; autopilot; frequency domain analysis; time domain analysis

2016-03-08

栗金平(1984-),男,河南商丘人,工程師,碩士,研究方向:導(dǎo)彈精確制導(dǎo)與控制。

TJ765

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