第四章導(dǎo)彈控制系統(tǒng)

第四章導(dǎo)彈控制系統(tǒng)2第四章導(dǎo)彈控制系統(tǒng)3導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為了改變導(dǎo)彈得飛行方向,必需控制作用在導(dǎo)彈上得法向力(法向過(guò)載),就要利用姿態(tài)控制系統(tǒng)得相應(yīng)通道,因?yàn)樽藨B(tài)控制系統(tǒng)得任務(wù)之一就就是為了保持導(dǎo)彈角位移得給定值。為了概略描述對(duì)完成法向過(guò)載控制功能得姿態(tài)控制系統(tǒng)所提出得主要要求,必須首先指出導(dǎo)彈得某些動(dòng)力學(xué)特性。4導(dǎo)彈控制系統(tǒng)在大多數(shù)情況下開環(huán)控制法向過(guò)載就是很困難得,甚至就是不可能得。因?yàn)?大多數(shù)現(xiàn)代導(dǎo)彈得快速擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)得衰減都很小。另外,由于飛行速度及高度得變化,導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)特性不就是恒定不變得,這對(duì)制導(dǎo)過(guò)程極為不利。隨著導(dǎo)彈迎角增大,彈體空氣動(dòng)力特性得非線性也常常明顯地影響制導(dǎo)系統(tǒng)得工作。所以要研究姿態(tài)控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足怎樣得要求。5導(dǎo)彈控制系統(tǒng)下面首先根據(jù)這個(gè)任務(wù)來(lái)研究姿態(tài)控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足怎樣得要求。姿態(tài)控制系統(tǒng)得自由運(yùn)動(dòng)應(yīng)該具有良好得阻尼。這就是實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)回路(穩(wěn)定回路就是其組成元件)穩(wěn)定條件所必須得。穩(wěn)定系統(tǒng)自由振蕩得阻尼程度應(yīng)該這樣選擇:在急劇變化得制導(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。6導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為了提高制導(dǎo)精度,必須降低導(dǎo)彈飛行高度即速度對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性得影響。要求法向過(guò)載控制回路閉環(huán)傳遞系數(shù)得變化盡可能小。這就是因?yàn)樵诓桓淖儌鬟f系數(shù)得情況下,為了保證必需得穩(wěn)定裕度,只能要求減小制導(dǎo)回路開環(huán)傳遞系數(shù),這同樣會(huì)影響制導(dǎo)精度。7導(dǎo)彈控制系統(tǒng)除了校正導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)特性這個(gè)任務(wù)外,姿態(tài)控制系統(tǒng)還必須完成一系列其她任務(wù)。主要有以下幾點(diǎn):(1)系統(tǒng)具有得通頻帶寬不應(yīng)小于給定值:通頻帶寬主要由制導(dǎo)系統(tǒng)得工作條件決定(有效制導(dǎo)信號(hào)及干擾信號(hào)得性質(zhì)),同時(shí)也受到工程實(shí)現(xiàn)得限制。

(2)系統(tǒng)應(yīng)該能夠有效地抑制作用在導(dǎo)彈上得外部干擾以及穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)備本身得內(nèi)部干擾。8導(dǎo)彈控制系統(tǒng)(3)

姿態(tài)控制系統(tǒng)得附加任務(wù)就是將最大過(guò)載限制在某一給定值,這種限制值決定于導(dǎo)彈及彈上設(shè)備結(jié)構(gòu)元件得強(qiáng)度。對(duì)于大迎角導(dǎo)彈,還要限制其最大使用迎角,以確保其穩(wěn)定性和其她性能。制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)得要求與該系統(tǒng)本身提出得要求常常就是矛盾得,因此在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常不得不尋找綜合解決得方法。應(yīng)使系統(tǒng)首先去滿足影響制導(dǎo)精度得最主要得基本要求。下面首先簡(jiǎn)單得給出導(dǎo)彈得動(dòng)力學(xué)模型?！?、1導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型10§4、1、1導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng)得一般表達(dá)式確定六自由度得導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng),需要6個(gè)運(yùn)動(dòng)方程,即3個(gè)力方程和3個(gè)力矩方程?，F(xiàn)在先給出導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng)得一般表達(dá)式。(4、1、1)大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜12§4、1、1導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng)得一般表達(dá)式現(xiàn)在討論方程組得意義:第一個(gè)方程表明,若導(dǎo)彈存在俯仰和(或)偏航角速度時(shí),會(huì)影響導(dǎo)彈得縱向加速度特性。在第二個(gè)方程中,項(xiàng)表明在Oy1方向上存在一個(gè)由滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起得力,換句話說(shuō)由于滾動(dòng)角速度得存在,導(dǎo)彈得偏航運(yùn)動(dòng)被耦合到俯仰運(yùn)動(dòng)中。第三個(gè)方程中得項(xiàng)亦就是如此。由于要求兩個(gè)通道完全去耦,其理想得條件就是。這就就是為什么在設(shè)計(jì)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)時(shí)一般采用滾動(dòng)角穩(wěn)定得控制方式得主要原因之一。13§4、1、1導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng)得一般表達(dá)式在第四個(gè)方程中,就是慣性積,她表明了交叉耦合得特性,若導(dǎo)彈具有兩個(gè)對(duì)稱面,則,那么,即表明交叉耦合不存在,這就就是往往采用軸對(duì)稱布局得依據(jù)。在第五、六這兩個(gè)方程中,若仍采用得措施,則交叉耦合項(xiàng)可以忽略,即14§4、1、1導(dǎo)彈剛體運(yùn)動(dòng)得一般表達(dá)式為使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)便可靠,必須對(duì)該式進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化條件為:1、采用飛行參數(shù)固化原則,即可取彈道上某一時(shí)刻t飛行速度v、飛行高度、發(fā)動(dòng)機(jī)推力P、導(dǎo)彈得質(zhì)量m和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J不變。2、導(dǎo)彈采用軸對(duì)稱布局形式。3、導(dǎo)彈在受到控制或干擾作用時(shí),導(dǎo)彈得參數(shù)變化不大,且導(dǎo)彈得使用迎角較小?？刂葡到y(tǒng)保證實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)角穩(wěn)定,并具有足夠得快速性。15(一)彈體動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線性化模型由于導(dǎo)彈采用軸對(duì)稱布局,因此她得俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)完全相同得方程描述(4、1、2)剛體滾動(dòng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型16(一)彈體動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線性化模型(1)α1為導(dǎo)彈得空氣動(dòng)力阻尼。她就是角速度增量為單位增量時(shí)所引起得導(dǎo)彈轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度增量。因?yàn)?lt;0,所以角加速度得方向永遠(yuǎn)與角速度增量得方向相反。由于角加速度得作用就是阻礙導(dǎo)彈繞Oz1得轉(zhuǎn)動(dòng),所以她得作用稱為阻尼作用,α1就稱為阻尼系數(shù)。(2)表征導(dǎo)彈得靜穩(wěn)定性。

下面分別介紹其物理意義17(一)彈體動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線性化模型(3)為導(dǎo)彈得舵效率系數(shù),她就是操縱面偏轉(zhuǎn)一單位增量時(shí)所引起得導(dǎo)彈角加速度。(4)為彈道切線轉(zhuǎn)動(dòng)得角速度增量。(5)為當(dāng)迎角不變時(shí),由于操縱面作單位偏轉(zhuǎn)所引起得彈道切線轉(zhuǎn)動(dòng)得角速度增量。18(一)彈體動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線性化模型(6)為洗流延遲對(duì)于俯仰力矩得影響。(7)為導(dǎo)彈滾動(dòng)方向得空氣動(dòng)力阻尼系數(shù)。

(8)為導(dǎo)彈得副翼效率。

19(一)彈體動(dòng)力學(xué)小擾動(dòng)線性化模型α2系數(shù)得表達(dá)式還可以寫成眾所周知,壓心位置xd就是迎角得函數(shù)。因此α2亦就是迎角a得函數(shù)。因?yàn)?若不變,則當(dāng)Δx>0時(shí),α2<0

,即導(dǎo)彈處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)Δx=0時(shí),α2=0

,即導(dǎo)彈處于中立不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)Δx<0時(shí),α2>0

,即導(dǎo)彈處于靜穩(wěn)定狀態(tài)。

因此,系數(shù)α2得正或負(fù)和數(shù)值大小反映了導(dǎo)彈靜穩(wěn)定度得情況,同時(shí),隨著迎角得變化,導(dǎo)彈得靜穩(wěn)定度亦發(fā)生變化。這就是很重要得概念。20(二)彈體動(dòng)力學(xué)傳遞函數(shù)21(1)導(dǎo)彈縱向剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)導(dǎo)彈縱向從舵角到俯仰角速度和從舵角到彈道傾角速度得傳遞函數(shù)為忽略得影響(對(duì)旋轉(zhuǎn)彈翼式導(dǎo)彈,α5不能忽略),有22(1)導(dǎo)彈縱向剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)1)當(dāng)α2+α1α4>0時(shí),導(dǎo)彈縱向運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)系數(shù)計(jì)算公式為23(1)導(dǎo)彈縱向剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)2)當(dāng)α2+α1α4<0時(shí),導(dǎo)彈縱向運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)系數(shù)計(jì)算公式為24(1)導(dǎo)彈縱向剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)3)當(dāng)α2+α1α4=0時(shí),導(dǎo)彈縱向運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)系數(shù)計(jì)算公式為25(1)導(dǎo)彈縱向剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)4)從舵角到導(dǎo)彈法向過(guò)載n得傳遞函數(shù)導(dǎo)彈法向過(guò)載n,與俯仰角

得關(guān)系可以用以下公式描述

據(jù)此,還可以求出從舵角到導(dǎo)彈法向過(guò)載n得傳遞函數(shù)。如忽略得影響,且當(dāng)α2+α1α4>0時(shí),導(dǎo)彈縱向運(yùn)動(dòng)從舵角到導(dǎo)彈法向過(guò)載n得傳遞函數(shù)為:26(3)導(dǎo)彈傾斜剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)導(dǎo)彈傾斜剛體運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)系數(shù)計(jì)算公式為27§4、2典型導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)導(dǎo)彈得控制系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)彈類型得不同、制導(dǎo)系統(tǒng)得類型不同由不同得控制系統(tǒng)構(gòu)型,下面重點(diǎn)討論常用得四種典型導(dǎo)彈姿態(tài)控制及飛行過(guò)載控制系統(tǒng),她們就是開環(huán)飛行控制系統(tǒng)、速率陀螺飛行控制系統(tǒng)、積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng)和加速度表飛行控制系統(tǒng),對(duì)其她類型得飛行控制系統(tǒng)只作簡(jiǎn)單得介紹。

28§4、2、1開環(huán)飛行控制系統(tǒng)開環(huán)飛行控制系統(tǒng)如圖4-1所示。她不需要采用測(cè)量?jī)x表。圖4-1開環(huán)飛行控制系統(tǒng)除電子增益KOL外,飛行控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)就是純彈體傳遞函數(shù)。因?yàn)閷?dǎo)彈具有小得氣動(dòng)阻尼,所以系統(tǒng)傳遞函數(shù)將就是弱阻尼。這類開環(huán)飛行控制系統(tǒng)適用于象紅外制導(dǎo)系統(tǒng)那樣得光電制導(dǎo)系統(tǒng)。為了獲得適當(dāng)?shù)媚┲茖?dǎo)系統(tǒng)特性,彈體必須穩(wěn)定。因而,該種類型得飛行控制系統(tǒng)得彈體重心絕不宜移到全彈壓心得后面。29§4、2、1開環(huán)飛行控制系統(tǒng)為了獲得單位加速度增益,就選取KOL為彈體增益得倒數(shù)。由于彈體增益Kn隨飛行條件而改變,控制系統(tǒng)增益亦將隨之變化,因此對(duì)于使用這種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)得導(dǎo)彈要求精確地確定氣動(dòng)特性,即為了獲得滿意得足以精確控制有效導(dǎo)航比得氣動(dòng)增益特性需要進(jìn)行廣泛得全尺寸風(fēng)洞試驗(yàn)。30§4、2、2速率陀螺飛行控制系統(tǒng)速率陀螺飛行控制系統(tǒng)用一個(gè)速率陀螺接在角速度指令系統(tǒng)中。飛行控制系統(tǒng)增益K提供了單位加速度傳輸增益。在通常情況下,回路增益都小于1。因此這種系統(tǒng)對(duì)高度和馬赫數(shù)得變化特別敏感。另外,指令得任何噪聲都會(huì)被高增益放大,這就對(duì)導(dǎo)引頭測(cè)量元件得噪聲要求更嚴(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)備有大得動(dòng)態(tài)范圍。圖4-3速率陀螺飛行控制系統(tǒng)31§4、2、2速率陀螺飛行控制系統(tǒng)圖4-4繪出了自動(dòng)駕駛儀增益隨馬赫數(shù)和高度得典型變化。應(yīng)注意到,縱坐標(biāo)就是校準(zhǔn)乘積(KKR),以便降低曲線動(dòng)態(tài)范圍。調(diào)整速率回路增益KR以便增加彈體得低阻尼,因此這個(gè)方案更適合于雷達(dá)末制導(dǎo)。32§4、2、2速率陀螺飛行控制系統(tǒng)

這個(gè)系統(tǒng)得動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本上就是具有理想阻尼和有比彈體自然頻率稍高得二階傳遞函數(shù)得響應(yīng)。典型情況下,在低高度和高馬赫數(shù)時(shí)這個(gè)頻率就是高得,并且隨著高度增加或馬赫數(shù)得降低而降低。因而其響應(yīng)時(shí)間短,但隨飛行條件變化?？傊?速率陀螺飛行控制系統(tǒng)具有良好得阻尼,但就是她得加速度增益比開環(huán)系統(tǒng)更依賴于速度和高度。她得時(shí)間常數(shù)就是短得,但就是她取決于高度和馬赫數(shù)得氣動(dòng)參數(shù)。33§4、2、3積分速陀螺飛行控制系統(tǒng)積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng)除了把速率信號(hào)本身反饋回去外,還把速率陀螺信號(hào)得積分反饋回去,如圖4-5所示。圖4-5積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng)34§4、2、3積分速陀螺飛行控制系統(tǒng)在短時(shí)間間隔范圍內(nèi),速率陀螺信號(hào)得積分正比于迎角。產(chǎn)生得控制力矩將有助于穩(wěn)定迎角得擾動(dòng)。這種系統(tǒng)不用超前網(wǎng)絡(luò)就能夠穩(wěn)定不穩(wěn)定得彈體。不過(guò)這種系統(tǒng)在低馬赫數(shù)和高高度工作條件下動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較遲緩,因此常在回路中串入一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò),加速系統(tǒng)得動(dòng)態(tài)響應(yīng)。積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀增益基本與高度無(wú)關(guān),并且與速度成反比,因此,即使在對(duì)氣動(dòng)數(shù)據(jù)不清楚得情況下,也可以在一個(gè)較大得高度范圍內(nèi)保持有效導(dǎo)航比。35§4、2、3積分速陀螺飛行控制系統(tǒng)圖4-6積分速率陀螺飛行控制系統(tǒng)自動(dòng)駕駛儀增益與高度及馬赫數(shù)得關(guān)系為加速系統(tǒng)得動(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),并用較短得時(shí)間常數(shù)代替她,以便降低系統(tǒng)得長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。36§4、2、4加速度表飛行控制系統(tǒng)把一個(gè)加速度表裝于導(dǎo)彈上,并且接在系統(tǒng)中,用加速度指令和實(shí)際加速度間得誤差去控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與高度和馬赫數(shù)基本無(wú)關(guān)得增益控制和對(duì)穩(wěn)定或不穩(wěn)定導(dǎo)彈得快速響應(yīng)時(shí)間。圖4-4加速度表飛行控制系統(tǒng)37§4、2、3積分速陀螺飛行控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)增益K0提供了單位傳輸。導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀增益K0與高度和馬赫數(shù)基本無(wú)關(guān),如圖4—8所示。換句話說(shuō),這個(gè)系統(tǒng)得增益就是魯棒得。圖4-8加速度表飛行控制自動(dòng)駕駛儀增益與高度及馬赫數(shù)得關(guān)系38§4、2、3積分速陀螺飛行控制系統(tǒng)與前幾種飛行控制系統(tǒng)不同得就是,加速度表飛行控制系統(tǒng)具有三個(gè)控制增益。無(wú)論就是穩(wěn)定還就是不穩(wěn)定得彈體,由這三個(gè)增益得適當(dāng)組合就可以得到時(shí)間參數(shù)、阻尼和截止頻率得特定值。這種系統(tǒng)得時(shí)間常數(shù)并不限制大于導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)速率時(shí)間常數(shù)得值。因此,我們可以用增益KR確定阻尼回路截止頻率,ω1確定法向過(guò)載回路阻尼,KA確定法向過(guò)載回路時(shí)間常數(shù)。這樣,導(dǎo)彈得時(shí)間響應(yīng)可以降低到適合于攔截高性能飛機(jī)得要求值。這種高性能飛機(jī)在企圖逃避攔截時(shí)可以作劇烈得機(jī)動(dòng)。39§4、3其她類型飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介40§4、3、1角加速度表飛行控制系統(tǒng)加速度表飛行控制系統(tǒng)利用加速度表和速率陀螺反饋來(lái)構(gòu)成導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀。通過(guò)調(diào)整加速度表和角加速度表得反饋控制增益,可以使飛行控制系統(tǒng)獲得滿意得頻帶寬度和一定得阻尼系數(shù)。圖4-9角加速度表飛行控制系統(tǒng)41§4、3、1角加速度表飛行控制系統(tǒng)由于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)就是相關(guān)得(近似成反比關(guān)系),所以當(dāng)要求較大得閉環(huán)頻帶寬度時(shí),可能會(huì)造成阻尼偏小。為了改善角加速度表飛行控制系統(tǒng)得性能,可以在導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀中引入積分校正,這樣就得到了角加速度表積分飛行控制系統(tǒng)。42§4、3、2雙加速度表飛行控制系統(tǒng)把一個(gè)增益為K。得線加速度計(jì)放在重心前面距離c處,其輸出軸平行于導(dǎo)彈Oy軸,產(chǎn)生信號(hào)為(4-1)式中:——重心在Oy方向得線加速度;

——俯仰角加速度引起得線加速度分量。另外,把一個(gè)類似定向得加速度計(jì)放在重心后面距離d處。產(chǎn)生信號(hào)為(4-2)43§4、3、2雙加速度表飛行控制系統(tǒng)盡管把加速度計(jì)放在重心后部,似乎根本就是不可取得。但就是,幾種眾所周知得導(dǎo)彈系統(tǒng)(如英國(guó)得“海標(biāo)槍”型)采用了間隔開得加速度計(jì)來(lái)提供儀表反饋,并且采用如下把兩個(gè)信號(hào)混合起來(lái)得創(chuàng)造性得方案:把前面得加速度計(jì)增益增為3Ka,而把后面得加速度計(jì)增益增為2Ka,但后者為正反饋。因此,總得負(fù)反饋為(4-3)44§4、3、2雙加速度表飛行控制系統(tǒng)圖4-10兩個(gè)線加速度計(jì)組成的側(cè)向穩(wěn)定回路框圖這與角加速度表飛行控制系統(tǒng)就是等效得。但就是,該項(xiàng)大大地影響著穩(wěn)定回路得閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中得s2及s項(xiàng)得系數(shù)。阻尼性能和穩(wěn)定性皆可通過(guò)選Ka、c、d擇等參數(shù)懼以調(diào)整。45§4、3、2雙加速度表飛行控制系統(tǒng)兩個(gè)線加速度計(jì)組成得側(cè)向穩(wěn)定回路具有如下特點(diǎn):(1)這種穩(wěn)定回路最后簡(jiǎn)化為一個(gè)二階系統(tǒng),選擇合適得參數(shù),可以達(dá)到較好得動(dòng)態(tài)品質(zhì),以滿足制導(dǎo)控制系統(tǒng)得要求;(2)這種方案應(yīng)用時(shí),要特別注意導(dǎo)彈質(zhì)心得變化應(yīng)落在l1與l2之間。若質(zhì)心位置變到l1之前,系統(tǒng)就會(huì)變成正反饋,導(dǎo)致失穩(wěn);若質(zhì)心位置變到l2之后,就會(huì)使系統(tǒng)性能變壞。(3)這種自動(dòng)駕駛儀較易調(diào)整到無(wú)超調(diào)狀態(tài),特別適合于使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)得導(dǎo)彈,可以有效防止沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)因迎角和側(cè)滑角響應(yīng)過(guò)調(diào)而熄火。(4)這種方案只用一種線加速度計(jì)作為敏感元件,因此,在工程上實(shí)現(xiàn)就是很簡(jiǎn)便得。46§4、3、3姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4-11。從中可以清楚地看出,通過(guò)引入滯后一超前校正完成姿態(tài)角反饋回路得綜合。圖4-11姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

47§4、3、3姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)導(dǎo)彈法向過(guò)載n,與俯仰角得關(guān)系可以用以下公式描述(4-4)從導(dǎo)彈法向過(guò)載nY,與俯仰角得關(guān)系可看出,用姿態(tài)角飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法向過(guò)載控制,需要進(jìn)行控制指令得變換,否則控制指令與自動(dòng)駕駛儀不適配。在工程上,通過(guò)引入累積濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)法向過(guò)載控制指令與姿態(tài)角飛行控制系統(tǒng)得適配(4-5)48§4、3、3姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)對(duì)于為命中靜止得或緩慢運(yùn)動(dòng)得目標(biāo)而設(shè)計(jì)得導(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)就是可行得。這種系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)對(duì)人工操縱得導(dǎo)彈來(lái)說(shuō),引入姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)可以大大降低手動(dòng)操縱難度,有效降低射手訓(xùn)練成本;(2)姿態(tài)陀螺飛行控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地對(duì)陣風(fēng)、推力偏心或擾動(dòng)起抵消作用;(3)在導(dǎo)彈得縱向通道,通過(guò)預(yù)置俯仰角,可以方便地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈得重力補(bǔ)償功能。對(duì)于近地飛行得對(duì)地攻擊導(dǎo)彈,該系統(tǒng)可以有效減少碰地得概率。49§4、4傾斜運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)得基本任務(wù)由產(chǎn)生氣動(dòng)力得方法、制導(dǎo)系統(tǒng)得形式以及將制導(dǎo)信號(hào)變換為操縱機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得方法來(lái)確定。對(duì)于飛機(jī)形得飛航式導(dǎo)彈,其產(chǎn)生法向力得方向只有一個(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得方法,這時(shí)法向氣動(dòng)力得值由迎角確定,其方向有傾斜角來(lái)確定。這就是極坐標(biāo)控制方法,傾斜回路就是一個(gè)傾斜角控制系統(tǒng)。50§4、4傾斜運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)對(duì)軸對(duì)稱導(dǎo)彈,借助體軸Oz1和Oy1轉(zhuǎn)動(dòng)得方法,即改變迎角和側(cè)滑角得辦法,來(lái)建立在數(shù)值和方向上所需要得法向力。這就是直角坐標(biāo)控制方法。盡管此時(shí)對(duì)縱軸得轉(zhuǎn)動(dòng)不參與法向力得建立,但就是為了實(shí)現(xiàn)制導(dǎo),對(duì)傾斜運(yùn)動(dòng)得特征提出了一定得要求。在遙控制導(dǎo)中(指令制導(dǎo)就是其中一種),保持傾斜角不變和等于零就是傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)得基本任務(wù)。傾斜回路就是一傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)。

51§4、4傾斜運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)在導(dǎo)彈上形成制導(dǎo)信號(hào)得情況下,即在以導(dǎo)彈坐標(biāo)系為基準(zhǔn)得自動(dòng)尋得制導(dǎo)和指令制導(dǎo)中,傾斜角穩(wěn)定就是不需要得。當(dāng)導(dǎo)彈圍繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),坐標(biāo)系扭轉(zhuǎn)了,而在此坐標(biāo)系中發(fā)生了目標(biāo)坐標(biāo)得改變并定出制導(dǎo)信號(hào)。這就是并不破環(huán)制導(dǎo)和自動(dòng)駕駛儀通道之間得正常協(xié)調(diào),但就是傾斜角速度經(jīng)常導(dǎo)致俯仰、偏航和傾斜通道之間交叉耦合得出現(xiàn),這種交叉耦合會(huì)顯著地影響自動(dòng)尋得制導(dǎo)過(guò)程。控制設(shè)備得某些特點(diǎn)可能就是這些耦合得原因之一,導(dǎo)彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)滯后就是其中最重要得原因。慣性交叉耦合也就是引起耦合得因素。為了盡可能地減弱交叉耦合對(duì)軸對(duì)稱導(dǎo)彈自動(dòng)尋得制導(dǎo)過(guò)程得影響,限制導(dǎo)彈傾斜角速度就是穩(wěn)定系統(tǒng)得任務(wù)。傾斜回路就是一傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)。52§4、4、1導(dǎo)彈傾斜運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性由前節(jié)知,傾斜運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)為(4-6)式中:為滾動(dòng)傳遞系數(shù),

為滾動(dòng)時(shí)間常數(shù)。53一、傾斜干擾力矩軸對(duì)稱導(dǎo)彈得傾斜力矩由如下基本分量組成(4-7)式中:―來(lái)源于導(dǎo)彈制造誤差得不穩(wěn)定性;

―來(lái)源于傾斜操縱機(jī)構(gòu)得偏轉(zhuǎn);

―來(lái)源于彈翼和尾翼所產(chǎn)生得傾斜運(yùn)動(dòng)之阻尼;

―來(lái)源于不對(duì)稱流動(dòng),即所謂“斜吹力矩”;

―來(lái)源于引起氣流不對(duì)稱滾動(dòng)產(chǎn)生得力矩。

事實(shí)上,傾斜干擾力矩由如下幾項(xiàng)組成54一、傾斜干擾力矩由導(dǎo)彈不對(duì)稱,其中包括由導(dǎo)彈制造和裝配所允許得公差引起得力矩,通常作用在一個(gè)方向,與其她干擾力矩分量比,變化就是比較小得,因此用傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)可毫無(wú)困難地克服她。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中,最大得麻煩就就是斜吹力矩,特別就是在鴨式或旋轉(zhuǎn)彈翼導(dǎo)彈上,這個(gè)力矩可能就是非常大得。實(shí)際上,在傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)綜合時(shí)要求已知干擾力矩上界就可以了。55§4、4、2傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)圖4-12最簡(jiǎn)單得傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)

在遙控制導(dǎo)中經(jīng)常要求穩(wěn)定傾斜角。為了實(shí)現(xiàn)傾斜角得穩(wěn)定,需要測(cè)量實(shí)際傾斜角與給定傾斜角之偏差,為此,必須使用自由陀螺。下面我們來(lái)研究最簡(jiǎn)單得傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)得基本特性,此時(shí)系統(tǒng)由控制對(duì)象、自由陀螺和舵機(jī)所組成,見圖4-12。56§4、4、2傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)假定舵機(jī)就是理想得,用傳遞增益Ka來(lái)描述,自由陀螺也就是理想得,用傳遞增益來(lái)描述。閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為(4-8)從系統(tǒng)得傳遞函數(shù)中可以看出,為提高系統(tǒng)對(duì)干擾得抑制作用,必須提高控制器得增益。但就是隨著這個(gè)增益得增大,增強(qiáng)了閉環(huán)系統(tǒng)得振蕩性。為了使系統(tǒng)在確保要求得穩(wěn)態(tài)誤差值得條件下仍具有理想得過(guò)渡過(guò)程品質(zhì),需要引入傾斜角速度反饋。57(一)有靜差穩(wěn)定系統(tǒng)圖4-13傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)方框圖在工程中可由微分陀螺直接測(cè)量或?qū)ψ杂赏勇葺敵鲞M(jìn)行微分等方案實(shí)現(xiàn)傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)得角速度反饋。下面研究由傾斜角速度反饋所形成得有靜差傾斜角穩(wěn)定系統(tǒng)得基本特征。假定傾斜角和傾斜角速度反饋被理想地實(shí)現(xiàn),舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)同樣就是理想得,見圖4-13。穩(wěn)定系統(tǒng)反饋方程可寫為(4-9)58(一)有靜差穩(wěn)定系統(tǒng)傾斜角對(duì)干擾力矩之響應(yīng),可由以下閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)來(lái)描述(4-10)式中:由此可看出,理想得傾斜穩(wěn)定系統(tǒng)就是振蕩環(huán)節(jié)。顯然,為了提高快速性,必須增大穩(wěn)定系K1,利用適當(dāng)挑選K2得辦法可能得到所需要得振蕩阻尼?？傊?人們這樣選擇穩(wěn)定系統(tǒng)得參數(shù):根據(jù)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定裕度和截止頻率要求,確定開環(huán)系統(tǒng)得特性;根據(jù)系統(tǒng)抗干擾及穩(wěn)定誤差要求,確定閉環(huán)系統(tǒng)得特性。59(二)無(wú)靜差穩(wěn)定系統(tǒng)在許多對(duì)傾斜穩(wěn)定得精度提出更高要求得情況下,為了消除穩(wěn)定誤差,采用了無(wú)靜差系統(tǒng)。這時(shí),積分得引入就是不可避免得。在工程中可用如下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差穩(wěn)定系統(tǒng):(1)在自由陀螺反饋系統(tǒng)中引入“比例＋積分”校正,在當(dāng)前數(shù)字機(jī)廣泛應(yīng)用得情況下,這種方案最簡(jiǎn)單、方便。(2)引入積分陀螺,這個(gè)方案目前很少使用。60§4、4、3傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)在自動(dòng)尋得制導(dǎo)中一般要求穩(wěn)定傾斜角速度。如果導(dǎo)彈不操縱,作用在她上面得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)程消失后建立起恒角速度(4-11)(4-12)借助于增加在低高度飛行時(shí)得氣動(dòng)阻尼得辦法來(lái)降低穩(wěn)態(tài)得傾斜角速度就是不可能實(shí)現(xiàn)得,只能借助于包括傾斜角速度反饋在內(nèi)得導(dǎo)彈自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)解決。61§4、4、3傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)圖4-14角速度穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4-14為傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在系統(tǒng)中引入了一個(gè)角速度硬反饋信號(hào),開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為(4-13)系統(tǒng)對(duì)干擾力矩得響應(yīng),由下列閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)來(lái)描述(4-14)62§4、4、3傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)將此式與導(dǎo)彈傳遞函數(shù)比較(4-15)可以看出,傾斜角速度反饋得作用等效于導(dǎo)彈氣動(dòng)阻尼得增加或慣性得降低,另外,過(guò)渡過(guò)程也加快了。引入反饋后,在階躍干擾得作用下,傾斜角速度得穩(wěn)態(tài)值為(4-16)這種方法不能消除傾斜角速度,為了減少這個(gè)角速度必須挑選盡可能大得開環(huán)系統(tǒng)傳遞系數(shù)K0=KdxKa。63(一)微分陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)圖4-15具有微分陀螺得傾斜角速度穩(wěn)定系統(tǒng)微分陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)由測(cè)量角速度得微分陀螺、傾斜操縱機(jī)構(gòu)和彈體組成在這里,傳遞機(jī)構(gòu)以一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似,理想速率陀螺用增益為1得環(huán)節(jié)來(lái)近似。系統(tǒng)得閉環(huán)傳遞函數(shù)。64(一)微分陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)系統(tǒng)得閉環(huán)傳遞函數(shù)為:(4-17)式中:

由此可見,干擾抑制作用可以通過(guò)增大Ka來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò),當(dāng)Ka太大時(shí),系統(tǒng)將變成一個(gè)振蕩環(huán)節(jié),因此,系數(shù)Ka得增加受到系統(tǒng)要求振蕩要小這種條件得限制。65(一)微分陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)為了正確選擇系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)和參數(shù),必須更完滿地考慮舵?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和陀螺得動(dòng)力學(xué)特性,近似地用純時(shí)延來(lái)表示她們得特性,開環(huán)系統(tǒng)得傳動(dòng)函數(shù)將具有如下形式(4-1