基于Simulink的導(dǎo)彈仿真系統(tǒng)研究

摘 要：基于Simulink仿真環(huán)境，以某型空空導(dǎo)彈為仿真對(duì)象，對(duì)該型空空導(dǎo)彈的打擊過程進(jìn)行了分析，建立了導(dǎo)彈的飛行控制模型，對(duì)各個(gè)子模塊采用Simulink建立單元仿真子模型，通過對(duì)單元仿真子模型的集成得到了導(dǎo)彈飛行控制的仿真模型。仿真結(jié)果表明該模型能夠正確反映出導(dǎo)彈發(fā)射后的飛行特點(diǎn)，對(duì)空空導(dǎo)彈導(dǎo)彈的分析研究能起到一定的幫助作用。

關(guān)鍵詞：Simulink；制導(dǎo)模擬；導(dǎo)彈仿真

武器系統(tǒng)的仿真已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于武器研制工作中，利用先進(jìn)仿真工具建模仿真并利用所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的重要步驟。Simulink是Matlab中最重要的組件之一，相比其他建模軟件優(yōu)勢(shì)明顯，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和集成開發(fā)環(huán)境為建模工作提供了諸多便利。該環(huán)境使操作者無(wú)需大量書寫程序即可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)可視化。Simulink相對(duì)于其他高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，仿真過程可視化效果良好，流程一目了然，與實(shí)際情況一致性好，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理和現(xiàn)代控制理論的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)工作中[1]。

1 仿真方法

在Simulink仿真環(huán)境下，利用數(shù)學(xué)仿真的方法開發(fā)導(dǎo)彈制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，試驗(yàn)簡(jiǎn)單方便，可以將各種復(fù)雜的仿真條件加入制導(dǎo)系統(tǒng)，驗(yàn)證導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的正確性。在設(shè)計(jì)的不同階段，根據(jù)需要，設(shè)計(jì)不同精細(xì)度的仿真模型，從簡(jiǎn)單的閉環(huán)回路模型到局部的模塊模型，實(shí)現(xiàn)不同階段的仿真試驗(yàn)需求[2]。對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的建模首先要分析導(dǎo)彈的控制方法，分析各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)流以及如何通過各個(gè)模塊的配合控制導(dǎo)彈的飛行。

2 制導(dǎo)仿真模型設(shè)計(jì)

按照模型的設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段：

（1）設(shè)計(jì)制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，區(qū)分出功能模塊，確定各模塊的輸入和輸出信號(hào)流；（2）分別編寫各模塊的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)各自功

能；（3）模塊封裝、連接，閉合回路。

空空導(dǎo)彈仿真系統(tǒng)分為六個(gè)子模型，導(dǎo)彈模型、導(dǎo)引規(guī)律模型、導(dǎo)引頭測(cè)量模型、舵機(jī)模型、控制規(guī)律模型、目標(biāo)模型。目標(biāo)模型給出目標(biāo)的位置信息及運(yùn)動(dòng)信息，導(dǎo)引頭測(cè)量模型獲取信息并結(jié)合導(dǎo)彈模型給出的導(dǎo)彈位置信息以及運(yùn)動(dòng)信息給出彈目間距離、相對(duì)速度、方位角等信息并傳輸至控制規(guī)律模型。控制規(guī)律模型收集來(lái)自導(dǎo)彈模型和導(dǎo)引模型的信息解算出舵機(jī)所需操控信號(hào)，最終控制導(dǎo)彈飛行。

3 制導(dǎo)仿真模塊的建立

根據(jù)制導(dǎo)仿真模塊化的設(shè)計(jì)思路，確定模塊的數(shù)量和各模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能，各模塊之間信息流的關(guān)系，分別構(gòu)建各模塊的內(nèi)容。在構(gòu)建子模塊時(shí)，可對(duì)每個(gè)模塊再細(xì)化為多個(gè)子模塊進(jìn)行編寫。文章以PL-8空空導(dǎo)彈的性能參數(shù)為例構(gòu)建制導(dǎo)仿真系統(tǒng)。

3.1 總體模型

設(shè)計(jì)總體模型，需要從導(dǎo)彈的組成著手，通常導(dǎo)彈由制導(dǎo)倉(cāng)、電子倉(cāng)、戰(zhàn)斗部、發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)、控制倉(cāng)等艙段組成，每個(gè)艙段在仿真系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)一個(gè)仿真模塊，用數(shù)學(xué)模型描述每個(gè)艙段的功能，在數(shù)學(xué)模型中加入導(dǎo)彈的原始參數(shù)，使仿真系統(tǒng)得出的結(jié)果更貼近與實(shí)際，根據(jù)艙段，導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)由導(dǎo)引頭，控制單元、伺服系統(tǒng)、彈體模型、敏感元件組成，導(dǎo)引頭負(fù)責(zé)捕獲目標(biāo)，得到目標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)彈的角速率并傳輸至控制單元，控制單元中的導(dǎo)引規(guī)律根據(jù)彈體模型和導(dǎo)引頭傳輸?shù)男盘?hào)解算出導(dǎo)彈的位置信息和需要執(zhí)行的動(dòng)作，輸送至伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)根據(jù)指令操縱導(dǎo)彈飛行，完成攻擊過程。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

3.2 導(dǎo)彈模型

導(dǎo)彈的坐標(biāo)系定義及六自由度運(yùn)動(dòng)方程見文獻(xiàn)[3]。導(dǎo)彈模型內(nèi)部包括力和力矩模型、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、幾何關(guān)系模型、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。導(dǎo)彈模型的輸入信號(hào)流為一組舵偏角，導(dǎo)彈模型內(nèi)設(shè)置導(dǎo)彈質(zhì)量、推力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等自身參數(shù)，輸出信號(hào)流為導(dǎo)彈的速度、質(zhì)心三維坐標(biāo)、彈道傾角、速度傾斜角、攻角。仿真框圖見圖2。

3.3 目標(biāo)模型

目標(biāo)模型模擬目標(biāo)的典型運(yùn)動(dòng)，可以模擬不同速度、不同起始位置的目標(biāo)。給出目標(biāo)在導(dǎo)彈發(fā)射坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)以及速度向量。勻速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程如下：

4 系統(tǒng)仿真及仿真結(jié)果

當(dāng)前對(duì)于上述設(shè)計(jì)的制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，假設(shè)導(dǎo)彈初速400m/s目標(biāo)在大地坐標(biāo)下初始速度272m/s。

仿真結(jié)果如圖4-圖7所示，依次為導(dǎo)彈和目標(biāo)飛行軌跡、彈道傾角、導(dǎo)彈速度、舵偏角。導(dǎo)彈50秒后命中目標(biāo)，速度提升至430m/s。由圖5和圖7可知，導(dǎo)彈發(fā)射后導(dǎo)彈彈軸與目標(biāo)飛行方向平行，在一秒內(nèi)有較大幅度轉(zhuǎn)向，舵面偏轉(zhuǎn)達(dá)9度，一秒后，導(dǎo)彈彈軸方向指向目標(biāo)，進(jìn)入穩(wěn)定飛行階段，舵面往復(fù)小幅度調(diào)整保持飛行。

調(diào)整目標(biāo)初始位置靠近發(fā)射點(diǎn)，其他參數(shù)不變，仿真結(jié)果如圖8-圖11所示，依次為導(dǎo)彈和目標(biāo)飛行軌跡、彈道傾角、導(dǎo)彈速度、舵偏角。導(dǎo)彈用時(shí)25秒擊中目標(biāo)，前五秒調(diào)整導(dǎo)彈飛行方向，5-25秒穩(wěn)定飛行。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了導(dǎo)彈六自度仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了空空導(dǎo)彈六自度仿真模型和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型等數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink進(jìn)行了導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的的建模仿真，列出了有代表性的仿真結(jié)果，為導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制，彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)的方面的研究提供了試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jīng)過簡(jiǎn)單修改，可以模擬出各種空空導(dǎo)彈的制導(dǎo)過程。

參考文獻(xiàn)

[1]高勝靈.基于Matlab/Simulink的導(dǎo)彈六自由度彈道仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（1）：29-33.

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[3]李新國(guó)，方群.有翼導(dǎo)彈飛行動(dòng)力學(xué)[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[4]張坤峰.基于Simulink的導(dǎo)彈六自由度建模與仿真[J].艦船電子對(duì)抗，2011.