機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

張 韜,董詩萌,王民鋼

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安 710072)

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機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

張 韜,董詩萌,王民鋼

(西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院,西安 710072)

由于載機(jī)姿態(tài)擾動(dòng)的存在,機(jī)載跟瞄系統(tǒng)需要隔離載機(jī)擾動(dòng),同時(shí)消除光軸與目標(biāo)視線角之間的誤差。文中采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),選擇速率陀螺和電位計(jì)作為傳感器。針對跟瞄系統(tǒng)任務(wù)需求設(shè)計(jì)了擾動(dòng)隔離與精確對準(zhǔn)兩個(gè)回路的控制器,針對伺服系統(tǒng)中存在的非線性摩擦特性設(shè)計(jì)了摩擦補(bǔ)償器。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的跟瞄系統(tǒng)響應(yīng)迅速,穩(wěn)定性好,擾動(dòng)隔離能力強(qiáng),瞄準(zhǔn)誤差小,滿足一般火控系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

直升機(jī)載火控系統(tǒng);平臺(tái)穩(wěn)定;摩擦補(bǔ)償

0 引言

火控裝置在現(xiàn)代空射武器系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。在攻擊目標(biāo)時(shí),載機(jī)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)會(huì)通過各種方式耦合到火控裝置的角位置中。為了能夠克服載機(jī)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的影響,一般使用速率陀螺反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平臺(tái)來對載機(jī)的擾動(dòng)進(jìn)行隔離。

火控系統(tǒng)是精密光學(xué)-機(jī)械系統(tǒng)與高性能探測器的載體,一方面在光電探測器、超精密加工以及慣性傳感器等技術(shù)上要求較高,另一方面也要對火控系統(tǒng)性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)原理作深入的分析。文中首先介紹了機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)的組成,隨后進(jìn)行了跟瞄系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

1 機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)組成

以單軸情形為例,機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)主要由光電系統(tǒng)、控制及伺服系統(tǒng)、發(fā)射平臺(tái)及一系列機(jī)械結(jié)構(gòu)組成,如圖1。其中q為目標(biāo)視線角,ω為減速后的電機(jī)軸角速度,ωd為載機(jī)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)角速度,Td為擾動(dòng)力矩,?為平臺(tái)的空間指向角度。火控跟瞄系統(tǒng)的主要任務(wù)就是在擾動(dòng)力矩與載機(jī)擾動(dòng)角速度存在的情況下,快速準(zhǔn)確的保證發(fā)射平臺(tái)對準(zhǔn)目標(biāo)。

圖1 機(jī)載火控跟瞄系統(tǒng)組成圖

光電系統(tǒng)用來確定目標(biāo)視線角與光軸的角誤差值,給出角位置控制回路的指令信號(hào)。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收角誤差值和速率陀螺反饋信號(hào),通過位置環(huán)和隔離環(huán)的補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)隔離和精確瞄準(zhǔn)。伺服系統(tǒng)輸入為電機(jī)控制PWM指令,輸出為框架角速度,主要由功率放大器、伺服電機(jī)、減速器組成。功率放大器接受控制系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM控制信號(hào),并通過電流反饋控制輸出給電機(jī)的電流,一般來講電流環(huán)的頻率很高,設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略其動(dòng)態(tài)特性。減速器的作用是通過一定的減速比,增大減速后的力矩輸出能力。跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理對于火控系統(tǒng)的最終性能至關(guān)重要。

2 火控跟瞄系統(tǒng)建模

伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系為:TI=KtI,其中Kt為力矩系數(shù)。假設(shè)減速比為KJ,可得到伺服機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)為:

(1)

式中J為電機(jī)軸等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

假設(shè)隔離環(huán)補(bǔ)償器傳函為D1(s),位置環(huán)補(bǔ)償器傳函為D2(s),速率陀螺傳函為Ggyro(s)。列寫隔離環(huán)的開環(huán)傳函:

(2)

典型陀螺動(dòng)態(tài)一般是一個(gè)二階環(huán)節(jié),因此若希望系統(tǒng)跟蹤能力強(qiáng),令D1(s)中包含積分環(huán)節(jié),則可使系統(tǒng)型別為Ⅱ型。列寫位置環(huán)的開環(huán)傳函:

(3)

由于實(shí)際情況中目標(biāo)視線角一般以一定角速度變化,在穩(wěn)態(tài)精度要求很高的火控跟瞄系統(tǒng)中,也希望D2(s)中包含積分以提高系統(tǒng)型別。

除理想模型之外,由機(jī)械裝置帶來的摩擦力矩具有非線性的特點(diǎn)。選取庫倫-粘滯作為摩擦特性數(shù)學(xué)模型。雖然這種模型較為簡單,假設(shè)較為粗略,但在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中足夠反映對性能影響較大的關(guān)鍵特性。標(biāo)準(zhǔn)庫倫-粘滯數(shù)學(xué)表達(dá)為:

Td(ω)=aω+bsgn(ω)

(4)

3 線性補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

線性補(bǔ)償器設(shè)計(jì)主要考慮的問題有:

1)擾動(dòng)頻帶附近的開環(huán)增益。足夠高的開環(huán)增益可使得隔離度良好。另外在穩(wěn)定性得到保障的前提下,希望系統(tǒng)為Ⅱ型,以得到良好的跟蹤性能。

2)穿越頻率足夠高,使得系統(tǒng)能夠擁有足夠?qū)挼念l帶;但由于傳感器頻帶上的限制,使得可達(dá)到的穿越頻率存在一定的上限。

3)中頻段幅值曲線平坦,希望穿越頻率附近10倍頻程以-20 dB的斜率穿越0 dB線,以獲得足夠的相位裕度。

4)高頻段幅值曲線大斜率下降,防止傳感器噪聲和建模不確定性影響系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性。

根據(jù)以上原則,首先選型了電機(jī)和速率陀螺。伺服電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)約為6.66 ms,陀螺帶寬約為430 Hz。通過力矩?fù)Q算,選取738作為減速器速比。

3.1 內(nèi)環(huán)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

圖2 校正后內(nèi)環(huán)開環(huán)波特圖

考慮到電機(jī)電流或輸出轉(zhuǎn)矩有上限值,因此為防止指令過大導(dǎo)致積分飽和,采取了抗積分飽和措施,即當(dāng)指令發(fā)生飽和時(shí)取消PI補(bǔ)償器中的積分項(xiàng),當(dāng)指令在限幅范圍以內(nèi)時(shí)正常計(jì)算。

圖3為零角速度指令時(shí),內(nèi)環(huán)控制隔離載機(jī)擾動(dòng)SIMULINK仿真波形。載機(jī)擾動(dòng)為±2°、3 Hz的正弦信號(hào)。由于初始擾動(dòng)角速度很大,因此跟蹤誤差過大,導(dǎo)致了指令飽和。但抗積分項(xiàng)飽和算法防止了飽和造成的過大的超調(diào)量或失穩(wěn)。由仿真結(jié)果可知,內(nèi)環(huán)隔離載機(jī)擾動(dòng)的效果明顯,平臺(tái)轉(zhuǎn)軸角速度幾乎完全抵消了載機(jī)擾動(dòng)角速度,基本保持了平臺(tái)空間指向的穩(wěn)定性。

圖3 內(nèi)環(huán)隔離載機(jī)擾動(dòng)仿真波形

3.2 外環(huán)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

圖4 校正后外環(huán)開環(huán)波特圖

現(xiàn)在內(nèi)外環(huán)的線性補(bǔ)償器設(shè)計(jì)都已完成,假設(shè)目標(biāo)視線角初始值為0°,角速度為+5°/s,載機(jī)擾動(dòng)為±2°、3 Hz的正弦信號(hào),考察跟蹤效果的Simulink仿真波形如圖5、圖6。

圖5 角度指令跟蹤效果

圖6 跟蹤角度誤差

由圖中可知,伺服系統(tǒng)對斜坡信號(hào)的跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差在零值附近浮動(dòng)。一方面PI控制使得系統(tǒng)變?yōu)棰蛐?理論上的穩(wěn)態(tài)誤差為零;另一方面由于載機(jī)擾動(dòng)不可能完全消除,殘余擾動(dòng)將引起小的穩(wěn)態(tài)誤差浮動(dòng),本仿真中浮動(dòng)值在±0.02°以內(nèi),隔離及跟蹤性能良好。

4 摩擦擾動(dòng)力矩的分析與補(bǔ)償

4.1 摩擦力矩對控制性能的影響

線性補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)假設(shè)伺服系統(tǒng)為線性系統(tǒng),然而實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性中卻包含了許多非線性擾動(dòng)因素,包括機(jī)械摩擦非線性擾動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)軸偏心引起的擾動(dòng)力矩。其中由摩擦非線性引起的擾動(dòng)力矩對系統(tǒng)的性能影響非常明顯。首先,摩擦可使電機(jī)速度值通過零點(diǎn)時(shí)遇到“死區(qū)”的現(xiàn)象,使得穩(wěn)態(tài)精度受到嚴(yán)重影響。其次,還可能引發(fā)速度瞬間尖鋒的現(xiàn)象。

4.2 摩擦力矩控制補(bǔ)償算法

針對摩擦非線性對系統(tǒng)性能造成的影響,設(shè)計(jì)了非線性擾動(dòng)補(bǔ)償算法。對于式(4)中的參數(shù)a和b,一般通過實(shí)驗(yàn)方式及系統(tǒng)辨識(shí)理論進(jìn)行離線辨識(shí)。這里假設(shè)辨識(shí)誤差為30%。

在補(bǔ)償算法的選擇上,使用了非線性前饋補(bǔ)償算法,直接通過補(bǔ)償力矩減小摩擦非線性的影響。在摩擦參數(shù)辨識(shí)足夠精確的情況下,這種補(bǔ)償方式是簡單實(shí)用的。

假設(shè)式(4)中的參數(shù)a=0.2,b=0.3。使用辨識(shí)后的參數(shù)a1=0.25,b1=0.36,對摩擦補(bǔ)償算法進(jìn)行仿真,除了加入摩擦特性外,系統(tǒng)模型和仿真條件與前文無差別。

圖7仿真曲線表明,由摩擦非線性導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到了±0.2°范圍,在沒有補(bǔ)償措施的情況下嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的精度。而當(dāng)前饋補(bǔ)償器加入后,即使參數(shù)辨識(shí)存在誤差,仍然較好的克服了摩擦帶來的穩(wěn)態(tài)精度的丟失,將誤差范圍控制在±0.03°以內(nèi),滿足一般火控跟瞄系統(tǒng)的精度要求。

圖7 補(bǔ)償器加入前后穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差對比圖

5 結(jié)論

文中介紹了火控跟瞄平臺(tái)穩(wěn)定控制的原理,設(shè)計(jì)了跟瞄伺服系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)控制器及摩擦補(bǔ)償算法。仿真結(jié)果表明算法可以有效克服載機(jī)擾動(dòng)和摩擦力矩的影響,并且設(shè)計(jì)方法考慮了傳感器頻帶,控制量限幅等工程中的實(shí)際因素,因此對火控跟瞄系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有普遍的參考價(jià)值。

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Design and Simulation of Air-borne Fire Control and Tracking System

ZHANGTao,DONGShimeng,WANGMingang

(SchoolofAstronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

Duetodisturbancemovementofhelicopter,theon-boardservosystemneedsisolatingthemovement,andeliminatingerrorbetweenopticalaxisandtargetLOS.Inthispaper,servomotorwasusedasactuatorandrategyroandpotentiometerwerechosenassensors.Inviewofmissionrequirementoftrackingsystem,controllersofdisturbanceisolationloopandpreciseaimingloopweredesignedandacompensatorforfrictionwasalsodesignedforservosystemfriction.Simulationresultindicatesthattheaiming-trackingsystemhasfastresponseandgoodstability,andgainexcellentdisturbanceisolationabilityandsmallaimingerror,satisfyingcommonperformancerequirementoffirecontrolsystem.

helicopter-bornefiringcontrolsystem;platformstabilization;frictioncompensation

2015-06-17

張韜(1990-),男,山西大同人,碩士研究生,研究方向:導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。

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