一種靶彈機動飛行控制裝置的設計*

王 剛 劉基睿 付京來

（91851部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

靶彈用于模擬敵方來襲的導彈，是考核鑒定防空武器防空反導能力的重要靶標［1～2］。利用退役的飛航式反艦導彈改裝靶彈即節(jié)約了導彈退役報廢費用，又節(jié)約了防空導彈用靶費用，是一種經濟而有效的靶標開發(fā)模式［3～4］。某型靶彈由退役的飛航式反艦導彈改裝而成，該靶彈采用以控制組合為計算核心、以陀螺和高度表為測量器件、以舵機為執(zhí)行機構的自動駕駛儀來控制靶彈穩(wěn)定平飛?？刂平M合是一臺由模擬電路構建的模擬計算機，用于完成靶彈飛行高度以及俯仰、航向、傾斜三個姿態(tài)角控制通道的控制規(guī)律計算，使靶彈的飛行高度、俯仰角、航向角、傾斜角通道形成穩(wěn)定回路，從而使靶彈的姿態(tài)角保持穩(wěn)定并按預定高度飛行［5］。該靶彈彈道形態(tài)單一，不能模擬敵方導彈的機動突防功能，而在防空武器試驗訓練中，抗擊具有末端機動變軌能力的靶彈，對于檢驗防空武器的真實作戰(zhàn)性能具有非常重要的意義［6～7］。防空武器試驗與評價的可信度，在很大程度上取決于靶彈模擬威脅目標的逼真程度［8～9］。防空武器的戰(zhàn)斗力生成能力直接取決于靶彈技術的發(fā)展水平［10～11］。為使該靶彈具有機動飛行能力，提升該靶彈目標模擬的逼真度與技術水平，針對該型靶彈控制組合的特點，本文設計了一種靶彈機動飛行控制裝置，該機動飛行控制裝置在靶彈上安裝使用后可以使靶彈具備水平機動飛行和垂直機動飛行的能力。

2 機動飛行控制裝置總體設計

靶彈機動飛行控制裝置需要對靶彈駕駛儀的航向通道和高度通道進行控制。靶彈駕駛儀航向和高度通道是典型的PID 控制過程，安裝機動飛行控制裝置后，靶彈航向和高度通道的控制原理如圖1、2 所示。圖1 是航向通道控制原理框圖，該通道以航向陀螺輸出的航向角為測量信號，航向通道中的航向綜合放大器完成對航向角比例、積分、微分信號求和，而后輸出給航向舵機，對靶彈航向進行控制。航向通道中航向基準電路用于該靶彈原型彈的雷達制導控制，改裝為靶彈后，該部分電路在射前檢查時用于控制航向舵偏轉，靶彈飛行時該部分電路不再起作用［12］。加裝機動飛行控制裝置后，繼電器K1 可以切斷航向基準信號，機動飛行控制裝置通過K1 的常開點輸出航向控制信號，進而控制靶彈的航向，使靶彈具備水平機動飛行的能力。圖2 是駕駛儀高度通道控制原理框圖。該通道以高度表高度和俯仰陀螺的俯仰角為測量信號，將俯仰角的比例和微分環(huán)節(jié)，以及高度表信號的比例、積分和微分環(huán)節(jié)進行求和構成控制量，使靶彈保持一定的攻角并按預定的高度程序穩(wěn)定平飛［13］。機動飛行控制裝置對靶彈飛行高度進行控制時，K2繼電器動作，K2-1、K2-2 常開點閉合，高度通道的高度差、垂直速度、高度積分信號斷開，控制器根據高度表高度測量值計算高度差、垂直速度、高度積分前級信號，并通過K2 繼電器的常開點輸出至高度通道，從而控制靶彈的平飛高度并完成垂直機動飛行。機動飛行控制裝置通過K1、K2 繼電器實現對航向和高度控制通道控制功能的切換，K1、K2繼電器安裝在機動飛行控制裝置內部。

3 機動飛行控制裝置硬件設計

機動飛行控制裝置由計算機模塊、信號調理模塊、殼體和專用電纜構成。計算機模塊和信號調理模塊安裝在殼體內，殼體通過專用電纜連接到靶彈控制組合，對控制組合進行控制。專用電纜將靶彈的零點啟動指令、航向戰(zhàn)斗指令和高度戰(zhàn)斗指令，高度表信號和信號地線，靶彈控制組合中的航向基準信號1、航向基準信號2、高度差信號1、高度差信號2、垂直速度信1、垂直速度信號2 引入到機動飛行控制裝置。機動飛行控制裝置硬件原理框圖如圖3所示。

計算機模塊由中央處理器（CPU）、模擬量采樣電路、模擬量輸出電路，開關量采樣電路、開關量輸出電路及串口通信電路構成。計算機模塊的CPU用于裝訂靶彈的飛行任務參數、運行飛行控制程序。靶彈飛行任務參數包括靶彈水平機動和垂直機動飛行的開始時間及機動周期個數。靶彈飛行任務參數裝訂后，CPU能根據任務參數生成靶彈機動飛行的理論彈道，運行飛行控制程序控制靶彈按照理論彈道飛行。

圖1 靶彈航向通道控制原理框圖

圖2 靶彈高度通道控制原理框圖

圖3 機動飛行控制裝置硬件原理框圖

信號調理模塊包括電源模塊、運放電路1、運放電路2、繼電器控制電路；電源模塊為信號調理模塊運算放大器和計算機模塊提供穩(wěn)壓電源。運放電路1 將靶彈控制組合的高度表信號的電壓調整到計算機模塊模擬量采樣電路能夠采樣的范圍內，供計算機模塊采樣；運放電路2 將計算機模塊模擬量輸出電路輸出的航向控制信號、高度差信號0和垂直速度信號0電壓值進行比例放大。繼電器控制電路分別受計算機模塊開關量輸出電路輸出的航向控制指令、高度控制指令和原靶彈輸出的高度戰(zhàn)斗指令控制。信號調理模塊電路圖如圖4 所示。

機動飛行控制裝置工作過程如下：零點啟動指令作為靶彈發(fā)射零點信號供計算機模塊開關量采樣電路采樣，采樣值送給CPU。當計算機模塊CPU采到零點啟動指令有效的信號后即開始對靶彈駕駛儀進行飛行控制。

對靶彈航向進行控制時，計算機模塊CPU通過模擬量輸出電路輸出航向控制信號給運算放大電路2，運放電路2 將航向控制信號的電壓值放大后輸出給繼電器控制電路，同時CPU通過開關量輸出電路輸出航向控制指令給繼電器控制電路。繼電器控制電路接收到航向控制指令后，發(fā)出+27V 的航向戰(zhàn)斗指令給靶彈控制組合，同時將控制組合中的航向基準信號1 與航向基準信號2 斷開，航向控制信號與航向基準信號2 相連，使機動飛行控制裝置通過輸出航向控制信號和航向戰(zhàn)斗指令控制靶彈在航向上按理論彈道飛行。

圖4 信號調理模塊電路圖

對靶彈高度進行控制時，信號調理模塊運放電路1 將高度表信號的電壓調整到計算機模塊模擬量采樣電路能夠采樣的范圍內，模擬量采樣電路將高度表信號采樣值送給CPU。CPU 將高度表信號采樣值與理論彈道高度進行求差計算得出高度差信號0，將高度表信號采樣值進行微分計算得出垂直速度信號0。

CPU 通過模擬量輸出電路將計算得出的高度差信號0和垂直速度信號0輸出給信號調理模塊運放電路2，運放電路2 將高度差信號0 和垂直速度信號0 的電壓值放大后輸出給繼電器控制電路，同時CPU 通過開關量輸出電路輸出高度控制指令給繼電器控制電路。繼電器控制電路在接收到高度控制指令時將控制組合中的高度差信號1 與高度差信號2，垂直速度信號1 與垂直速度信號2 斷開，將運放電路2輸出的高度差信號0與控制組合高度差信號2 相連，將運放電路2 輸出的垂直速度信號0 與控制組合垂直速度信號2 相連，使機動飛行控制裝置通過輸出高度差信號0和垂直速度信號0給靶彈控制組合，從而控制靶彈按理論彈道高度飛行。

4 機動飛行控制模型仿真

4.1 水平機動

機動飛行控制裝置可以控制靶彈完成1個或2個周期的水平機動飛行。靶彈水平機動飛行時，機動飛行控制裝置以開環(huán)控制的方式向靶彈駕駛儀輸出航向控制信號來控制靶彈航向轉彎，航向控制信號是一個增加了慣性環(huán)節(jié)的矩形波信號，航向控制信號φm的幅值和持續(xù)時間如圖5 所示。機動飛行控制裝置輸出的航向控制信號將使靶彈按周期調整飛行方向，從而形成一條近似正弦波形狀的彈道曲線。機動飛行控制裝置輸出航向控制信號的同時發(fā)出航向控制指令，該指令使駕駛儀航向積分通路斷開，轉換為保持狀態(tài)，即航向積分電路停止積分，保持不變。航向積分環(huán)節(jié)用于消除靜態(tài)誤差，當靶彈航向角不為零時，航向積分環(huán)節(jié)對航向角進行積分，航向積分將使彈體航向角趨向于零。因此靶彈水平機動飛行時，若不斷開航向積分環(huán)節(jié)，靶彈將無法完成航向機動飛行。機動飛行控制裝置進行水平機動控制時，用傳遞函數為的慣性環(huán)節(jié)對幅值為±44°的方波信號進行平滑得到航向控制信號φm，該慣性環(huán)節(jié)可以有效降低靶彈瞬間過載，減小彈體抖動。 在進行航行機動控制時，控制器發(fā)出航向控制指令，該指令切斷航向積分通路；同時控制器輸出航向控制信號，航向控制信號與比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)求和后輸出給舵機，進而控制靶彈偏轉。圖5 為靶彈水平機動航向控制信號和彈道仿真曲線，從圖中可見靶彈完成兩個周期的水平機動飛行。

圖5 兩個水平機動彈道仿真曲線

4.2 垂直機動

機動飛行控制裝置可以控制靶彈在垂直方向上進行一個或兩個周期機動飛行。選擇機動飛行時，靶彈平飛高度必須大于100m。該限制條件可以避免靶彈平飛高度過低情況下進行垂直機動而使靶彈入水。垂直機動飛行的彈道形狀類似正弦波?？刂瓢袕椷M行垂直機動飛行，可以在高度程序上疊加一個幅值為±200m 的方波，即可以形成能夠控制靶彈垂直機動的控制程序。進行垂直機動飛行時，機動飛行控制裝置同時對高度表測高信號求微分，而后將高度差信號和高度微分信號輸出給高度控制通道中的后一級。圖6 是靶彈在100m 平飛條件下兩個垂直機動周期飛行時靶彈的高度程序和仿真彈道，從圖中可見，靶彈完成了兩個周期的垂直機動飛行。

圖6 兩個垂直機動彈道仿真曲線

5 結語

針對某型靶彈自動駕駛儀的電氣特性和控制規(guī)律特點，本文設計一型靶彈機動飛行控制裝置，該裝置可以在該型靶彈上直接安裝使用，使靶彈具備水平機動飛行和垂直機動飛行的能力。最后用靶彈飛控模型仿真程序對靶彈水平和垂直機動飛行彈道進行仿真，經仿真，靶彈機動飛行彈道達到了設計效果。