導(dǎo)航制導(dǎo)與控制課件3第四章第五章

1、第四章 傳感系統(tǒng)Subtitle4.1 引言 導(dǎo)彈傳感系統(tǒng)用來(lái)感受導(dǎo)彈飛行過(guò)程中彈體姿態(tài)和重心橫向加速度的瞬間變化，反映這些參數(shù)變化量或變化趨勢(shì)，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)供給控制系統(tǒng)。有時(shí)還感受操縱面的位置。自主制導(dǎo)的導(dǎo)彈中，還要敏感直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的偏差。感受導(dǎo)彈轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的元件有陀螺儀，感受導(dǎo)彈橫向或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的元件用加速度計(jì)和高度表。4.2三自由度陀螺儀 三自由度陀螺儀也稱(chēng)自由陀螺儀或定位陀螺儀。示意圖如下：以不同方式安裝在導(dǎo)彈上，可以測(cè)出彈體的俯仰角、滾動(dòng)角、偏航角。用來(lái)測(cè)量彈體滾動(dòng)角和俯仰角的陀螺儀稱(chēng)為垂直陀螺儀。能測(cè)量彈體偏航角和俯仰角的陀螺儀稱(chēng)為方位陀螺儀，二者的安裝形式如下： 垂直陀螺儀主要應(yīng)用于

2、地空、空空、空地導(dǎo)彈，方向陀螺儀一般應(yīng)用于地地導(dǎo)彈，陀螺儀的安裝位置盡量靠近導(dǎo)彈重心。 自由陀螺儀用作角速度測(cè)量原件，可將其視為一理想的放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：4.3二自由度陀螺儀 利用陀螺的進(jìn)動(dòng)性，二自由度陀螺儀可以做成速率陀螺儀和積分陀螺儀。 角速度陀螺儀原理如下，用來(lái)測(cè)量繞y1軸的角速度。 根據(jù)角速度陀螺儀的動(dòng)力學(xué)方程，得到角速率陀螺儀的傳遞函數(shù)為：4.4加速度計(jì) 加速度計(jì)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的慣性敏感元件，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)彈的橫向加速度。在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，還用來(lái)測(cè)量導(dǎo)彈切向加速度，經(jīng)兩次積分，可確定導(dǎo)彈相對(duì)起飛點(diǎn)的飛行路程。常用的加速度計(jì)有重錘式加速度計(jì)和擺式加速度計(jì)兩種類(lèi)型。 重錘式加

3、速度計(jì)原理如下圖所示， 考慮到重錘式加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)特性，可以給出其傳遞函數(shù)： 擺式加速度計(jì)原理如圖所示： 擺式加速度計(jì)的檢測(cè)質(zhì)量快的支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、靈敏，因而得到廣泛應(yīng)用。4.5高度表 雷達(dá)高度表用于指示導(dǎo)彈相對(duì)地面或海平面的高度，氣壓高度表用于指示海平面或另外某個(gè)被選定高度以上的高度。 如果導(dǎo)彈需要在地面以上給定高度飛行20km或30km距離，并且其高度不低于100m，那么用簡(jiǎn)單的氣壓式真空膜盒或者用壓電式傳感器指示其高度就足夠精確了。但高度低于100米時(shí)，大氣壓力的局部微小變化以及這些儀表的鑒別能力和精度的限制而使它們不再使用了。 FM/CW（調(diào)頻/連續(xù)波）和脈沖式高度表目前都能在低

4、至1m的高度上工作。這兩種高度表都能設(shè)計(jì)成寬波束的，允許導(dǎo)彈有 甚至更大的滾動(dòng)和俯仰角。10m以下的測(cè)量精度為255%0.5m或 激光高度表是另一種類(lèi)型的裝置 這種裝置用一束由激光源發(fā)出的持續(xù)時(shí)間很短的輻射能照射目標(biāo)。從目標(biāo)反射或散射回來(lái)的輻射能被緊靠激光的源的接收機(jī)檢測(cè)。再采用普通雷達(dá)的定時(shí)技術(shù)給出高度信息。目前通用普通的電源和半導(dǎo)體砷化（GaAs）器件構(gòu)成了激光高度表。EMI電子有限公司用此激光器設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一個(gè)系統(tǒng)，典型性能：從0.3m到50m，精度在10m以?xún)?nèi)是0.1m。從10m到50m時(shí)是1%，激光高度表的波束寬度一般很窄（大約1數(shù)量級(jí)），因此給出的是相對(duì)高度的定點(diǎn)測(cè)量的結(jié)果。輸出形

5、式有數(shù)字的和模擬的，以模擬的為例，高度表傳遞函數(shù)為：第五章第五章 舵機(jī)舵機(jī)5.1對(duì)舵機(jī)的要求舵機(jī)是自動(dòng)駕駛儀的執(zhí)行元件，其作用是根據(jù)控制信號(hào)的要求，操縱舵面偏轉(zhuǎn)以產(chǎn)生操縱導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的控制力矩。鉸鏈力矩：當(dāng)舵面發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，流過(guò)舵面的氣流將產(chǎn)生相應(yīng)的空氣動(dòng)力，并對(duì)舵軸形成氣動(dòng)力矩。其大小與舵偏角的大小、舵面形狀和飛行狀態(tài)有關(guān)。為使舵面偏轉(zhuǎn)到所需位置，舵機(jī)產(chǎn)生的主動(dòng)力矩必須克服作用在舵軸上的鉸鏈力矩，以及舵面轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的慣性力矩和阻尼力拒。鉸鏈力矩極性與舵面氣動(dòng)力壓力中心位置有關(guān)，如舵面壓力中心位于舵機(jī)的前方，則鉸鏈力矩方向與主動(dòng)力矩的方向相同，從而引起反操縱現(xiàn)象。按能源形式分類(lèi)：液壓舵機(jī)，氣壓舵機(jī)，

6、電動(dòng)舵機(jī)。舵機(jī)性能要求：舵面最大偏角、舵偏的最大角速度、舵機(jī)最大輸出力矩、動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)上質(zhì)量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、容易加工、工作可靠。5.2電動(dòng)舵機(jī) 直流電動(dòng)舵機(jī)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示：電動(dòng)舵機(jī)空載時(shí)的傳遞函數(shù)為：設(shè)計(jì)舵機(jī)的原則：舵面轉(zhuǎn)軸位于舵面壓力變化范圍的中心附近（鉸鏈力矩與舵面空氣動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)軸的力臂成正比）。1.確定舵機(jī)控制力矩時(shí)，必須留有足夠的余量。舵面轉(zhuǎn)軸離舵面壓力中心較近時(shí)，當(dāng)壓力中心發(fā)生變化時(shí)，舵有可能竟不穩(wěn)定，以致出現(xiàn)反操縱現(xiàn)象。亞聲速與超聲速不同狀態(tài)飛行時(shí)，壓力中心就會(huì)發(fā)生明顯的變化。MMK T 分別為電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的傳遞函數(shù)和時(shí)間常數(shù)，是電動(dòng)舵機(jī)的重要性能參數(shù)。5

7、.3液壓舵機(jī) 液壓舵機(jī)是依靠高壓油源驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，根據(jù)液壓放大的類(lèi)型，通常有滑閥式和噴嘴擋板式等形式。 畫(huà)法式液壓舵機(jī)由滑閥和作動(dòng)器兩部分組成，原理結(jié)構(gòu)圖如下： 當(dāng)液壓舵機(jī)空載時(shí)，舵面偏轉(zhuǎn)的角速度與液壓秒流量成正比，且相應(yīng)的傳遞函數(shù)為5.4氣動(dòng)舵機(jī) 典型冷氣舵機(jī)如下所示： 傳遞函數(shù)為：第6章 傾斜運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定控制 6.1傾斜運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)的基本任務(wù)基本任務(wù)：產(chǎn)生氣動(dòng)力的方法、制導(dǎo)系統(tǒng)的形式、將制導(dǎo)信號(hào)變換為操縱機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)信號(hào)的方法。對(duì)于飛機(jī)型的飛航式導(dǎo)彈，其產(chǎn)生法向力的方向只有一個(gè)，為使導(dǎo)彈在任何一個(gè)方向上產(chǎn)生機(jī)動(dòng)，必須借助改變迎角和傾斜角的辦法，此時(shí)法向氣動(dòng)力的值由迎角確定，其方向由傾斜角來(lái)確定。這

8、是極坐標(biāo)控制方法，傾斜回路是一個(gè)傾斜角控制系統(tǒng)。軸對(duì)稱(chēng)導(dǎo)彈，借助體軸oz1和oy1轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，即改變迎角和側(cè)滑角的方法，來(lái)建立在數(shù)值和方向上所需要的法向力，這是直角坐標(biāo)控制方法。指令制導(dǎo)為例，制導(dǎo)信號(hào)在指導(dǎo)站坐標(biāo)系中形成，必須保證飛行器固連坐標(biāo)系（信號(hào)執(zhí)行坐標(biāo)系）與制導(dǎo)信號(hào)形成坐標(biāo)系相一致。在遙測(cè)制導(dǎo)中，保持傾斜角不變或等于零是傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)的基本任務(wù)。傾斜回路是一個(gè)傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)。 在以飛行器坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的自動(dòng)尋的制導(dǎo)和制導(dǎo)指令中，傾斜角穩(wěn)定是不需要的。但是傾斜角速度經(jīng)常導(dǎo)致俯仰、偏航和傾斜通道之間的交叉耦合，。導(dǎo)彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后是重要原因，此外，馬格努斯力矩和慣性交叉耦合也是引起耦合的因素。所

9、以，限制導(dǎo)彈傾斜角速度是穩(wěn)定系統(tǒng)的任務(wù)。傾斜回路是一個(gè)傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)。 6.2導(dǎo)彈傾斜運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性 6.2.1傾斜運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù) 6.2.2傾斜干擾力矩6.3.1傾斜角的反饋為實(shí)現(xiàn)傾斜角穩(wěn)定，要求測(cè)量實(shí)際傾斜角與給定傾斜角之偏差，需使用自由陀螺。以下系統(tǒng)由控制對(duì)象、自由陀螺和舵機(jī)組成，如下圖：舵機(jī)用ka表示，自由陀螺也是理想的，由傳遞函數(shù)k描述。傳遞函數(shù)具有以下形式：由傳遞函數(shù)看出，為提高系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制作用，必須提高控制器的增益。但是會(huì)增強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)的振動(dòng)性。為保證要求的穩(wěn)態(tài)誤差條件下仍滿(mǎn)足理想的過(guò)度品質(zhì)，在控制率中引進(jìn)比例于傾斜角速度的信號(hào)，即引入傾斜角速度反饋。6.3傾斜角的穩(wěn)定 6.

10、3.2有靜差穩(wěn)定系統(tǒng) 下面研究由傾斜角和傾斜角速度反饋所形成的有靜差傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)的基本特性。穩(wěn)定系統(tǒng)反饋傳遞函數(shù)可寫(xiě)為： 傾斜角對(duì)干擾力矩的影響，可由下列閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)來(lái)描述： 理想的傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)是震蕩環(huán)節(jié)。需要增大k1挑選適當(dāng)?shù)膋2，可能得到所需要的震蕩阻尼。 選擇穩(wěn)定系統(tǒng)的參數(shù)：根據(jù)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定裕度和截止頻率要求，確定開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特性；根據(jù)系統(tǒng)抗干擾性及穩(wěn)定誤差要求，確定閉環(huán)系統(tǒng)的特性。6.3.3無(wú)靜差穩(wěn)定系統(tǒng)在對(duì)傾斜穩(wěn)定的精度提出更高要求的情況下，為了消除穩(wěn)定誤差，采用無(wú)靜差系統(tǒng)。此時(shí)，積分的引入是不可避免的。工程實(shí)現(xiàn)的兩種辦法：在自由陀螺反饋系統(tǒng)中引入“比例+微分”校正，在當(dāng)前數(shù)字機(jī)廣

11、泛應(yīng)用的情況下，這種方案最簡(jiǎn)單方便。引入積分陀螺，這個(gè)方案目前很少使用。6.4 傾斜角速度的穩(wěn)定6.4.1傾斜角速度反饋的作用1.在自動(dòng)尋地制導(dǎo)中一般要求穩(wěn)定傾斜角速度。如果飛行器不操縱，作用在它上面的階躍干擾傾斜力矩 使導(dǎo)彈繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度為： 因而，在過(guò)渡過(guò)程消失后建立起橫角速度 下圖為傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)對(duì)干擾力矩的響應(yīng)，用閉環(huán)傳遞函數(shù)來(lái)描述： 將此式與飛行器傳遞函數(shù)比較： 傾斜角速度穩(wěn)反饋的等效于飛行器氣動(dòng)阻尼的增加或者慣性的降低，此外，過(guò)渡過(guò)程也加快了。傾斜角速度的穩(wěn)態(tài)值為： 為減小傾斜角速度，必須挑選盡可能大的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞系數(shù) 6.4.2微分陀螺

12、穩(wěn)定系統(tǒng) 微分陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)由測(cè)量角速度的微分陀螺、傾斜操縱機(jī)構(gòu)和彈體組成。如下圖所示： 閉環(huán)傳遞函數(shù)： 干擾抑制作用可以通過(guò)增大ka來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)，太大時(shí)系統(tǒng)將會(huì)變成一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)。 為了正確選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，需更完整的考慮舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和陀螺的動(dòng)力學(xué)特性，近似的用純時(shí)延來(lái)表示他們的特性，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)表示為： 選擇截止頻率時(shí)，除使系統(tǒng)滿(mǎn)足一般動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求外，還要考慮和俯仰偏航通道的關(guān)系。所研究的系統(tǒng)中不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，即在飛行過(guò)程中始終存在慢速滾動(dòng)，導(dǎo)致滾動(dòng)與俯仰偏航通道之間存在慣性交叉耦合。為保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要使傾斜通道的截止頻率大于俯仰偏航通道4倍以上。 如果選擇開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的

13、辦法不能成功的保證要求的穩(wěn)定裕度、穩(wěn)態(tài)誤差、截止頻率，就采用校正網(wǎng)絡(luò)，提高截止頻率就采用超前網(wǎng)絡(luò) 6.4.3無(wú)靜差的穩(wěn)定系統(tǒng)在回路中引入積分環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)誤差。通常有兩種方法將積分環(huán)節(jié)引入系統(tǒng)：無(wú)靜差系統(tǒng)構(gòu)成有如下幾種：微分陀螺和軟反饋多傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；微分陀螺、積分濾波器、硬反饋多傳動(dòng)系統(tǒng)；積分陀螺和硬反饋舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)；第7章 姿態(tài)穩(wěn)定和法向過(guò)載控制7.1飛行控制系統(tǒng)的基本任務(wù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的要求：姿態(tài)控制系統(tǒng)的自由運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是有良好的阻尼。在急劇變化的指導(dǎo)指令（接近于階躍指令）作用下迎角超調(diào)量不太大。一般要求系統(tǒng)具有的通頻帶寬不應(yīng)小于給定值：通頻帶寬主要由制導(dǎo)系統(tǒng)的工作條件決定（有效載荷及干擾信號(hào)的性

14、質(zhì)），同時(shí)也受到工程實(shí)現(xiàn)的限制。系統(tǒng)應(yīng)該能夠有效的抑制作用在飛行器上的外部干擾以及穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)備本身的內(nèi)部干擾。附加任務(wù)是將最大過(guò)載限制在某一給定值，這種限制取決于飛行器及彈上設(shè)備結(jié)構(gòu)元件強(qiáng)度。 7.2開(kāi)環(huán)飛行控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)飛行控制系統(tǒng)如圖所示： 這種系統(tǒng)不需要采用測(cè)量?jī)x表，僅用一增益Kol來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的單位加速度增益。除電子增益外，飛控系統(tǒng)傳遞函數(shù)是純彈體傳遞函數(shù)。系統(tǒng)傳遞函數(shù)是若阻尼。如果開(kāi)環(huán)飛控系統(tǒng)用于雷達(dá)末制導(dǎo)系統(tǒng)，將會(huì)通過(guò)由整流罩折射斜率所產(chǎn)生的寄生反饋產(chǎn)生不穩(wěn)定。而用于紅外系統(tǒng)就沒(méi)有這么明顯。為獲得適當(dāng)?shù)哪┲茖?dǎo)系統(tǒng)特性，彈體必須穩(wěn)定，因此，該種類(lèi)型的控制系統(tǒng)彈體重心不要移動(dòng)到全

15、彈壓心的后面。 為獲得單位加速度增益，就要選擇Kol為彈體增益Kn的倒數(shù)。彈體增益隨著飛行條件而改變，控制系統(tǒng)增益如圖所示： 7.3速率陀螺飛行控制系統(tǒng) 速度陀螺飛行控制系統(tǒng)用一個(gè)速率陀螺接在角速率指令系統(tǒng)中，如下圖所示： 這種系統(tǒng)對(duì)高度和馬赫數(shù)的變化特別敏感，另外，指令的任何噪聲都會(huì)被高增益放大，這對(duì)導(dǎo)引頭測(cè)量元件的噪聲要求更為嚴(yán)格，而且為了避免噪聲飽和，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)電子設(shè)備有大的動(dòng)態(tài)范圍。下圖繪出了自動(dòng)駕駛儀隨馬赫數(shù)和高度的典型變化。 此種方案更適合雷達(dá)末制導(dǎo)，速率陀螺飛行控制系統(tǒng)具有良好的阻尼，但加速度增益比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更依賴(lài)于速度和高度。它的時(shí)間常數(shù)是短的，但取決于高度和馬赫數(shù)的氣動(dòng)參數(shù)。

16、 7.4積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng) 系統(tǒng)把速率信號(hào)本身反饋回去，還把速率信號(hào)的積分反饋回去，如下圖所示： 短時(shí)間內(nèi)，速率信號(hào)的積分正比于迎角。這種利用電信號(hào)產(chǎn)生于迎角的控制力矩將有助于穩(wěn)定迎角的擾動(dòng)。這種系統(tǒng)可以不用超前網(wǎng)絡(luò)就能夠穩(wěn)定不穩(wěn)定的彈體，但在低馬赫數(shù)和高高度的情況下相應(yīng)比較遲緩，因此在回路中串入一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)，加速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。積分速率陀螺飛控系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀基本與高度無(wú)關(guān)，并且與速度成反比。因此，在氣動(dòng)數(shù)據(jù)不清楚時(shí)，可以在較大范圍內(nèi)保持有效導(dǎo)航比。 為加強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在速率陀螺輸出處裝有校正網(wǎng)絡(luò)能夠抵消彈體旋轉(zhuǎn)速率時(shí)間常數(shù)，并用較短的時(shí)間常數(shù)代替他，以便降低系統(tǒng)的長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。下圖給出

17、了積分速率陀螺飛控系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀增益與高度及馬赫數(shù)的關(guān)系。 7.5加速度表飛行控制系統(tǒng)此種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與高度和馬赫數(shù)基本無(wú)關(guān)的增益控制和對(duì)穩(wěn)定或不穩(wěn)定導(dǎo)彈的快速響應(yīng)時(shí)間。這個(gè)系統(tǒng)的增益是非常魯棒的。加速度表飛行控制系統(tǒng)具有三個(gè)控制增益。由這三個(gè)控制增益適當(dāng)?shù)慕M合就可以得到時(shí)間常數(shù)、阻尼、截止頻率的特定值。這種系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)并不限制大于導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)速度時(shí)間常數(shù)的值。所以我們可以用kr確定阻尼回路截止頻率，w1確定法相過(guò)載回路阻尼，ka確定法相過(guò)載回路時(shí)間常數(shù)。這樣，導(dǎo)彈的時(shí)間相應(yīng)可以降低到適合于高性能飛行的要求值。這種高性能飛機(jī)在企圖逃避攔截時(shí)可以做劇烈的機(jī)動(dòng)。 7.6其它類(lèi)型飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 7.6

18、.1角加速度表飛行控制系統(tǒng) 速率陀螺體積通常比較大，重量較重，小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上可以將速率陀螺用體積小、重量輕的角加速度表代替，構(gòu)成如下系統(tǒng)： 角加速度表飛行控制系統(tǒng)閉環(huán)頻帶寬度與阻尼系數(shù)近似成反比，較大頻帶寬度會(huì)造成阻尼偏小，為改善系統(tǒng)性能，可引入積分校正。 7.6.2雙加速度表飛行控制系統(tǒng)英國(guó)導(dǎo)彈系統(tǒng)采用了間隔開(kāi)的加速度計(jì)來(lái)提供儀表反饋，并采用兩信號(hào)混合的創(chuàng)造性方案：前面加速度計(jì)增益為3ka，后面加速度計(jì)增益為2ka，但后者為正反饋，總負(fù)反饋為：這與角加速度飛行控制系統(tǒng)等效。但大大影響了穩(wěn)定回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中的s平方項(xiàng)、一次項(xiàng)的系數(shù)，阻尼性能和穩(wěn)定性皆可通過(guò)選擇ka、c、d等參數(shù)加以調(diào)整

19、。下圖為兩個(gè)線(xiàn)性加速度計(jì)組成的側(cè)向穩(wěn)定回路框圖。兩個(gè)線(xiàn)性加速度計(jì)組成的側(cè)向穩(wěn)定回路具有如下特點(diǎn)：7.6.3姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)對(duì)于為命中靜止或緩慢運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)而設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)是可行的。這種系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：對(duì)于人工操縱的導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，引入此系統(tǒng)可以大大降低手動(dòng)操作的難度，有效降低射手訓(xùn)練成本。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)陣風(fēng)、推力偏心或擾動(dòng)起抵消用。在導(dǎo)彈的縱向通道，通過(guò)預(yù)置俯仰角，可以方便的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈重力補(bǔ)償功能。對(duì)于近地飛行的對(duì)地攻擊導(dǎo)彈，有效的減少碰地的概率。系統(tǒng)框圖如下：通過(guò)引入滯后超前校正完成姿態(tài)角反饋回路的綜合。 導(dǎo)彈法向過(guò)載與俯仰角的關(guān)系可以用公式描述： 在工程上，

20、引入積累濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)法向過(guò)載控制指令與姿態(tài)角控制系統(tǒng)的適配，這種思路已經(jīng)在美國(guó)海爾法反坦克導(dǎo)彈上得到了成功的應(yīng)用。第8章 高度控制與航向控制 8.1導(dǎo)彈的縱向控制系統(tǒng)組成 為組成飛航導(dǎo)彈縱向控制系統(tǒng)，選用自由陀螺儀來(lái)測(cè)量導(dǎo)彈的俯仰姿態(tài)角，用無(wú)線(xiàn)電高度表、氣壓高度表來(lái)測(cè)量導(dǎo)彈的飛行高度。 對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行加工處理的部件稱(chēng)為結(jié)算裝置。對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程，本章只討論連續(xù)信號(hào)的模擬系統(tǒng)。 為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，除了在解算裝置輸入端輸入俯仰角和高度的誤差信號(hào)外，還應(yīng)當(dāng)有俯仰角速率信號(hào)和垂直速度信號(hào)。角速率信號(hào)由速度陀螺儀給出，或電子微分器提供，垂直速度信號(hào)垂直速度傳感器提供，也可由電子微分器給出。 為使

21、高度控制系統(tǒng)無(wú)靜差，必須在系統(tǒng)中引入積分環(huán)節(jié)。當(dāng)需要改變導(dǎo)彈飛行高度時(shí)，必須改變導(dǎo)彈彈道傾角，要轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)彈升降舵面，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的舵機(jī)必不可少。 8.2縱向控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與結(jié)構(gòu)圖 實(shí)際的縱向控制系統(tǒng)是非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，為解決非線(xiàn)性問(wèn)題，工程上多采用一定條件下等效線(xiàn)性化的方法。而時(shí)變的問(wèn)題工程上多采用系數(shù)凍結(jié)法。 8.2.1信號(hào)綜合放大器和功率放大器 是電子器件組成，無(wú)慣性原件，傳遞函數(shù)為： 8.2.2自由陀螺儀 可視為理想放大環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為： 8.2.3無(wú)線(xiàn)電高度表 分為脈沖式雷達(dá)高度表和連續(xù)波調(diào)頻高度表兩大類(lèi)。以輸出模擬電壓為例，傳遞函數(shù)為： 8.2.4俯仰角微分器和高度微分器為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

22、性能，常引入反饋矯正信號(hào)，如引入俯仰角速度信號(hào)對(duì)彈體的俯仰角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行阻尼，用反饋垂直速度信號(hào)對(duì)導(dǎo)彈的高度變化進(jìn)行阻尼。一種典型的電子微分器可以用如下傳遞函數(shù)描述： 8.2.5高度（差）積分器電子積分器也是由線(xiàn)性集成運(yùn)算法大器加電阻、電容組成。其傳遞函數(shù)為： 8.2.6伺服系統(tǒng)以永磁式直流伺服電機(jī)和減速器構(gòu)成的電動(dòng)伺服系統(tǒng)為例。伺服電機(jī)輸入量um，減速器輸出量 ，電動(dòng)伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 8.2.7彈體縱向傳遞函數(shù) 8.2.8 縱向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：舵系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 8.3縱向控制系統(tǒng)分析 8.3.1俯仰角穩(wěn)定回路的分析 因?yàn)閺椀纼A角的變化滯后于導(dǎo)彈姿態(tài)角的變化，也就是導(dǎo)彈質(zhì)心運(yùn)

23、動(dòng)的慣性比姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的慣性大，所以，分析俯仰角穩(wěn)定回路時(shí)暫不考慮高度穩(wěn)定回路的影響。俯仰角穩(wěn)定回路結(jié)構(gòu)如下： 俯仰角穩(wěn)定回路結(jié)構(gòu)如圖： 8.3.2高度穩(wěn)定回路分析 高度穩(wěn)定結(jié)構(gòu)圖如下，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下： 8.4導(dǎo)彈航向角穩(wěn)定回路分析 導(dǎo)彈的測(cè)向運(yùn)動(dòng)包括航向、傾斜、側(cè)向偏移運(yùn)動(dòng)，而航向和傾斜運(yùn)動(dòng)彼此緊密的交聯(lián)在一起。工程采用簡(jiǎn)化的方法，將航向、傾斜和側(cè)向偏移作為彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，最后考慮相互間的影響。這種方法已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用，得到證明是安全可靠的。本節(jié)討論航向角穩(wěn)定回路的分析和參數(shù)選取方法。 航向角穩(wěn)定的功能：保證導(dǎo)彈在干擾的作用下，回路穩(wěn)定可靠工作，航向角誤差在規(guī)定范圍之內(nèi)，并按預(yù)

24、定的要求改變基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。 8.4.1航向角穩(wěn)定回路的結(jié)構(gòu)和靜態(tài)分析 （1）航向角穩(wěn)定回路的構(gòu)成 航向角穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)通常采用pid調(diào)節(jié)規(guī)律，因此，角穩(wěn)定回路一般由下列部件構(gòu)成：利用電子元器件組成微分積分電路，代替了阻尼陀螺儀和機(jī)電式積分結(jié)構(gòu)，航向角穩(wěn)定與控制器框圖如下：積分結(jié)構(gòu)對(duì)偏微分積分，所產(chǎn)生的信號(hào)消除系統(tǒng)在常值干擾力矩作用下引起的靜態(tài)誤差。 （2）導(dǎo)彈航向角運(yùn)動(dòng)導(dǎo)彈航向角運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為：導(dǎo)彈的航向角運(yùn)動(dòng)如下圖： 可以得到航向角穩(wěn)定回路框圖如下： （3）航向角穩(wěn)定回路的靜態(tài)分析 航向陀螺儀飄移是一個(gè)隨機(jī)量，一般無(wú)法保證導(dǎo)彈在自控段始終處于在規(guī)定的范圍內(nèi)及時(shí)得到補(bǔ)償，漂移將造成導(dǎo)彈偏離航向，只能

25、用提高陀螺儀精度來(lái)解決。為使靜差減小，系統(tǒng)中引入積分環(huán)節(jié)：增大自動(dòng)駕駛儀的放大倍數(shù)（減小靜差）在自動(dòng)駕駛儀中增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)（消除靜差）8.4.2航向角穩(wěn)定回路的動(dòng)態(tài)分析導(dǎo)彈航向角運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)為： 系統(tǒng)有三個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)，在短周期運(yùn)動(dòng)結(jié)束后是一個(gè)積分過(guò)程，并且二階震蕩環(huán)節(jié)的阻尼系數(shù)比較?。?.1左右），所以震蕩比較明顯，需要增加人工阻尼。把伺服系統(tǒng)看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)： 如果自動(dòng)駕駛儀中，只有航像陀螺儀，回路中有一個(gè)零極點(diǎn)，系統(tǒng)通常不穩(wěn)定或穩(wěn)定性很差。為使系統(tǒng)穩(wěn)定，在自動(dòng)駕駛儀中應(yīng)有阻尼陀螺儀（或微分器），用pid調(diào)節(jié)規(guī)律，校正部分傳遞函數(shù)為： 航向速率穩(wěn)定回路簡(jiǎn)化框圖如下： 有微分器的航向角

26、穩(wěn)定回路框圖如圖所示： 經(jīng)分析，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 線(xiàn)性積分器能把系統(tǒng)變?yōu)闊o(wú)靜差系統(tǒng)，但傳遞系數(shù)大小將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，若導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)就加入積分器，系統(tǒng)無(wú)靜差，但增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，甚至不能穩(wěn)定。一般在導(dǎo)彈穩(wěn)定飛行時(shí)，把積分器接入是適宜的。 8.5導(dǎo)彈側(cè)向質(zhì)心穩(wěn)定系統(tǒng)簡(jiǎn)介 對(duì)于自控段終點(diǎn)側(cè)向散布要求較高、射程較遠(yuǎn)的導(dǎo)彈，必須增設(shè)側(cè)向質(zhì)心穩(wěn)定系統(tǒng)，以穩(wěn)定導(dǎo)彈側(cè)向質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。側(cè)向偏離以偏航角及傾斜角的自動(dòng)控制系統(tǒng)為內(nèi)回路，并且一般通過(guò)轉(zhuǎn)彎的方法自動(dòng)進(jìn)行修正。 側(cè)向質(zhì)心穩(wěn)定的兩種方案：1、靠協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎修正側(cè)向偏離，即通過(guò)副翼控制導(dǎo)彈協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎或通過(guò)副翼與方向舵控制導(dǎo)彈協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎。2、單純靠側(cè)滑或者僅由方向舵控制

27、導(dǎo)彈平面轉(zhuǎn)彎來(lái)修正側(cè)向偏離。第9章 自主制導(dǎo) 9.1自主制導(dǎo)的基本概念 導(dǎo)彈的自主制導(dǎo)，是根據(jù)發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)的位置，事先擬好一條彈道，制導(dǎo)中依靠導(dǎo)彈內(nèi)部的制導(dǎo)設(shè)備測(cè)出導(dǎo)彈相對(duì)預(yù)定軌道的飛行偏差，形成控制信號(hào)，使導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。導(dǎo)引信號(hào)不依賴(lài)于目標(biāo)或指揮站，僅由安裝在導(dǎo)彈內(nèi)部的測(cè)量?jī)x器測(cè)量地球或宇宙空間的物理特性，從而決定導(dǎo)彈的飛行軌跡。有慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、天文制導(dǎo)系統(tǒng)、方案制導(dǎo)系統(tǒng)、地形匹配制導(dǎo)系統(tǒng)等。單用自主制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)彈只能攻擊固定目標(biāo)或已知飛行軌跡的目標(biāo)，不能攻擊活動(dòng)目標(biāo)。主要用于地地導(dǎo)彈（彈道式導(dǎo)彈、飛航式導(dǎo)彈）和空地導(dǎo)彈（如空地式飛航導(dǎo)彈），有些地空導(dǎo)彈的初制導(dǎo)或末制導(dǎo)段也有應(yīng)用。 9.2方

28、案制導(dǎo)方案制導(dǎo)系統(tǒng)可以導(dǎo)引導(dǎo)彈按預(yù)先擬好的計(jì)劃飛行。方案制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)程序控制系統(tǒng)。 9.2.1方案制導(dǎo)系統(tǒng)的組成方案制導(dǎo)系統(tǒng)一般由兩部分組成：方案機(jī)構(gòu)、彈上控制系統(tǒng) 方案元件的輸出信號(hào)可以代表俯仰角隨飛行時(shí)間變化的預(yù)定規(guī)律，或代表導(dǎo)彈傾角隨導(dǎo)彈飛行高度變化的預(yù)定規(guī)律。 9.2.2方案制導(dǎo)的應(yīng)用 方案制導(dǎo)主要應(yīng)用于地地導(dǎo)彈?；虻乜諏?dǎo)彈從發(fā)射到進(jìn)入主控段前端，使導(dǎo)彈有自主能力，可以增加發(fā)射密度并具有多方向攻擊目標(biāo)的能力。 方案飛行彈道由兩段組成：爬升段、平飛段 9.3天文導(dǎo)航 天文導(dǎo)航是根據(jù)導(dǎo)彈、地球、星體三者之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，來(lái)確定導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)參量，將導(dǎo)彈引向目標(biāo)的一種自主制導(dǎo)技術(shù)。觀(guān)測(cè)裝置

29、是六分儀： 導(dǎo)彈發(fā)射前，預(yù)先選定一個(gè)星體，將光電六分儀的天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)選定星體。制導(dǎo)中，光電六分儀不斷觀(guān)測(cè)和跟蹤選定的星體。 9.3.2天文導(dǎo)航系統(tǒng)原理 天文導(dǎo)航系統(tǒng)有兩種：1、由一套天文導(dǎo)航觀(guān)測(cè)裝置跟蹤一個(gè)星體，導(dǎo)引導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。2、兩套天文系統(tǒng)觀(guān)測(cè)裝置分別觀(guān)測(cè)兩顆星，確定導(dǎo)彈位置。 跟蹤一個(gè)星體的導(dǎo)彈天文導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)如下：導(dǎo)彈天文導(dǎo)航系統(tǒng)完全自動(dòng)化，精確度較高，導(dǎo)航誤差不隨導(dǎo)彈射程增大而增大，但受天氣影響。由于導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)間不同，星體與地球間關(guān)系也不同，所以，天文導(dǎo)航對(duì)導(dǎo)彈的發(fā)射時(shí)間要求比較嚴(yán)格?？山M成天文慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，來(lái)發(fā)揮天文導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)。 9.4慣導(dǎo)系統(tǒng) 9.4.1慣性制導(dǎo)與基本原理慣性導(dǎo)航是一種自主導(dǎo)航方法。在飛行器內(nèi)用導(dǎo)航加速度表測(cè)量飛行器運(yùn)動(dòng)的加速度，通過(guò)積分運(yùn)算得到飛行器速度信息。下面以簡(jiǎn)單的平面運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航為例，說(shuō)明工作原理。 飛行器姿態(tài)角和航向角的計(jì)算公式（設(shè) 為彈體坐標(biāo)系和地