激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與研究

辜磊

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，銀川 750000）

0 引言

半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器是六十年代初發(fā)展起來的一門新技術(shù)。由于它具有一些優(yōu)越的特性，如制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、是一種新的有效的制導(dǎo)體制，所以在武器制導(dǎo)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。總體來說半主動(dòng)激光制導(dǎo)是由一個(gè)外部的激光發(fā)射源將特定波長(zhǎng)的激光照射到目標(biāo)物體上，由于目標(biāo)表面不平整，激光產(chǎn)生漫反射，而由目標(biāo)物體漫反射出的光線將會(huì)被半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器發(fā)現(xiàn)、鎖定、追蹤。

在這一系列的過程中，半主動(dòng)激光制導(dǎo)武器中的導(dǎo)引頭主要起到了兩個(gè)作用：一是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物反射的光線，二是按照制導(dǎo)規(guī)律將參數(shù)送入控制系統(tǒng)。

1 激光半主動(dòng)制導(dǎo)原理簡(jiǎn)介

半主動(dòng)激光尋的器結(jié)構(gòu)如圖1包括頭罩、光學(xué)系統(tǒng)、激光探測(cè)器、放大器、和差電路、數(shù)字控制器、陀螺伺服機(jī)構(gòu)組成。頭罩保護(hù)尋的器不受氣流影響，光學(xué)系統(tǒng)是由一組特殊的透鏡組構(gòu)成，可以把目標(biāo)物上漫反射出特定波長(zhǎng)的光線聚焦到激光探測(cè)器上。激光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過和差運(yùn)算和放大器、數(shù)字控制器控制陀螺伺服機(jī)構(gòu)，使目標(biāo)點(diǎn)在激光探測(cè)器光屏中間[1]。（允許一定的誤差）

圖1

其中激光探測(cè)器使用象限元件來測(cè)定目標(biāo)相對(duì)于光軸的偏移量，常見的有二象限、三象限、四象限，當(dāng)特定波長(zhǎng)的光聚焦到某一象限時(shí)，相應(yīng)的光敏元件輸出電信號(hào)，經(jīng)過邏輯電路的邏輯運(yùn)算后，就確定了目標(biāo)的相對(duì)于導(dǎo)彈的位置，同時(shí)電信號(hào)被輸入到數(shù)字控制器中，改變飛行方向追蹤目標(biāo)。原理如圖2。

圖2

本文研究的系統(tǒng)采用雙四象限探測(cè)器，雙四象限的光敏面分為中心區(qū)和外圍區(qū)，當(dāng)光線聚焦到中心區(qū)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)線性跟蹤，由于激光制導(dǎo)武器整個(gè)追蹤過程比較復(fù)雜，本文只討論在線性區(qū)的追蹤過程[2]。而且本文對(duì)激光探測(cè)器做了一定的簡(jiǎn)化處理，省略了運(yùn)算電路，直接將光敏面獲得的電信號(hào)經(jīng)放大和取樣后送入數(shù)字控制器處理。雙四象限的光敏面如圖3所示，簡(jiǎn)化后的原理圖如圖4所示。

圖3

圖4

2 構(gòu)造D（z）的總體方案

2.1 控制器選型

數(shù)字控制器是激光制導(dǎo)系統(tǒng)的核心，選擇80C51單片機(jī)。80C51單片機(jī)有一個(gè)8位CPU，4個(gè)8位并行I/O口（P0-P3），4kb的ROM程序存儲(chǔ)器，自帶片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路[6]。管腳圖如圖5。

圖5

2.2 建立模型

半主動(dòng)激光制導(dǎo)導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)框圖如圖[3]6所示。

圖6

其中漫反射的光經(jīng)過頭罩、光學(xué)系統(tǒng)，被激光探測(cè)器探測(cè)到，所產(chǎn)生的電信號(hào)被放大器放大，這一過程中的所有器件都是為了得到一個(gè)穩(wěn)定的位置信號(hào)或速度信號(hào)，所以在系統(tǒng)框圖中我將這一部分等效成輸入量E（t）和一個(gè)放大系數(shù)K。數(shù)字控制器D（z）控制伺服陀螺機(jī)構(gòu)輸出進(jìn)動(dòng)角度。最終的系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7

G（s）為伺服陀螺機(jī)構(gòu)，考慮其慣性特性，其傳遞函數(shù)為：

K為放大系數(shù)，Ka為機(jī)電常數(shù)，Tθ為轉(zhuǎn)子時(shí)間系數(shù)。所以得出系統(tǒng)的廣義被控對(duì)象開環(huán)傳遞函數(shù)為：

2.3 構(gòu)造數(shù)字控制器 D（ z）

對(duì) Gc（s）進(jìn)行 Z變換：

下面就不同情況根據(jù)Gc（z）設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D（z）。

若令Tθ=2 采樣時(shí)間T=0.1s，Ka=5K=2

則：

（1）第一種情況：

若目標(biāo)靜止，則輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，q=1。Gc（z）存在一個(gè)滯后環(huán)節(jié)[5]。

設(shè)：

其中：

式中m1為不穩(wěn)定極點(diǎn)，n1為不穩(wěn)定零點(diǎn)，r為滯后環(huán)節(jié)，根據(jù)式 Gc（z）得知 m1=1，n1=0，r=1。

則：

根據(jù)W(z)+We(z)=1求出k=1,d0=-0.49,c1=0.49

得出：

根據(jù)數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)

得出：

使用MATLAB仿真

控制系統(tǒng)整體框圖如圖8所示。

系統(tǒng)輸出波形如圖9所示。

數(shù)字控制器輸出波形如圖10所示。

圖8

圖9

從系統(tǒng)輸出波形圖中可以看出輸出U（t）在第5秒完全跟蹤輸入信號(hào)，并且各采樣點(diǎn)之間無波紋。從數(shù)字控制器的波形圖可以看出數(shù)字在有限拍內(nèi)輸出恒定不變，控制器D（z）符合要求。

（2）第二種情況：

若目標(biāo)做勻速運(yùn)動(dòng)，輸入信號(hào)為速度信號(hào)，則q=2

設(shè)：

根據(jù)W(z)+We(z)=1

得出：

根據(jù)數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)：

得出：

使用MATLAB仿真

控制系統(tǒng)整體框圖如圖11所示。

系統(tǒng)輸出波形如圖12所示。

數(shù)字控制器輸出波形如圖13所示。

從系統(tǒng)輸出波形圖中可以看出輸出U（t）在第6秒左右可以實(shí)現(xiàn)完全追蹤給定信號(hào)，從數(shù)字控制器的波形圖可以看出數(shù)字在有限拍內(nèi)輸出恒定不變，數(shù)字控制器D（z）符合要求。

圖10

圖11

圖12

圖13

3 數(shù)字控制器D（z）的程序?qū)崿F(xiàn)法

一般來說數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn)法有直接實(shí)現(xiàn)法、并接實(shí)現(xiàn)法、串接實(shí)現(xiàn)法。下面就較為復(fù)雜的第二種情況來對(duì)比一下直接實(shí)現(xiàn)法和串接實(shí)現(xiàn)法。

第二種情況的直接實(shí)現(xiàn)法：

系統(tǒng)框圖及的輸出波形圖如圖14所示。

第二種情況的串接實(shí)現(xiàn)法：

圖14

則系統(tǒng)框圖及輸出波形圖如圖15所示。

圖15

通過這兩種程序?qū)崿F(xiàn)法正常情況下的輸出波形圖來看，二者的差別很小。但是考慮到激光制導(dǎo)武器在飛行過程中會(huì)存在的各種干擾，可能會(huì)使數(shù)字控制器中的零極點(diǎn)發(fā)生變化。如果假設(shè)數(shù)字控制器中z=0.95的零點(diǎn)發(fā)生變化，變?yōu)閦=1，那么程序框圖中的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)再做出系統(tǒng)框圖并觀察和對(duì)比輸出的波形。

極點(diǎn)變換后：

對(duì)比波形程序框圖如圖16所示。

圖16

數(shù)字控制器輸出波形如圖17所示。

系統(tǒng)輸出波形如圖18所示。

由數(shù)字控制器輸出波形和系統(tǒng)輸出波形可以看出：由直接實(shí)現(xiàn)法等效的數(shù)字控制器波形振幅較大，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，與串接實(shí)現(xiàn)法相比，后者更加穩(wěn)定。由此得出結(jié)論：當(dāng)數(shù)字控制器零極點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)，串接實(shí)現(xiàn)法更為穩(wěn)定，抗干擾更強(qiáng)。

圖17

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：直接實(shí)現(xiàn)法的D（z）不經(jīng)過任何變化，直接化成的形式，其零極點(diǎn)被整合到一個(gè)式子中，當(dāng)任意零極點(diǎn)發(fā)生變化，或存在一定誤差時(shí)，會(huì)使所有零極點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的變化，對(duì)輸出結(jié)果產(chǎn)生的影響較大。串接實(shí)現(xiàn)法是先將D（z）的零極點(diǎn)形式化成多項(xiàng)積的形式，這樣變化后零極點(diǎn)互不影響，當(dāng)控制器中任意零極點(diǎn)發(fā)生變化或存在一定誤差時(shí)，只影響相應(yīng)的環(huán)節(jié)的零極點(diǎn)，不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的零極點(diǎn)都受到影響。而并接實(shí)現(xiàn)法是將D（z）化成多項(xiàng)合的形式，原理和優(yōu)點(diǎn)都與串接實(shí)現(xiàn)法類似，故不再贅述[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，不同的輸入信號(hào)所構(gòu)造的數(shù)字控制器也不相同，因?yàn)閿?shù)字控制器D（z）的結(jié)構(gòu)取決于廣義控制對(duì)象傳遞函數(shù)Gc（z）和閉環(huán)傳遞函數(shù)W（z）、誤差傳遞函數(shù)We（z）。而廣義被控對(duì)象傳遞函數(shù)一旦確定是不會(huì)發(fā)生變化的，所以構(gòu)造數(shù)字控制器關(guān)鍵在于如何確定 W（z），W（z）取決于 Gc（z）的不穩(wěn)定零點(diǎn)和外部輸入信號(hào)的階次，所以不同輸入信號(hào)所構(gòu)造的數(shù)字控制器不僅零極點(diǎn)不同，分子分母的階次也不同。最后根據(jù)數(shù)字控制器的程序?qū)崿F(xiàn)法的研究，為激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭的程序語(yǔ)言提供理論依據(jù)和框架。

圖18

[1]張海洋，趙長(zhǎng)明.激光半主動(dòng)尋的器原理與結(jié)構(gòu)[C].2005全國(guó)博士生學(xué)術(shù)論壇北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2005:114-115.

[2]孫明.某激光半主動(dòng)引導(dǎo)頭制導(dǎo)電路方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué)，2012.

[3]于英杰，劉藻珍.某型激光導(dǎo)引頭建模于仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15（2）:158-159.

[4]廖道爭(zhēng)，施保華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015:101-123.

[5]楊瑞，張軍.自動(dòng)控制原理[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，2016:292-293.

[6]蘇珊，高如新，譚興國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].四川：電子科技大學(xué)出版社，2016:14-16.