制導炮彈可控滾轉執行機構模型分析

劉源翔,崔 巖,李 睿,葛立坤

(中國北方車輛研究所 總體技術部,北京 100072)

制導炮彈可控滾轉執行機構模型分析

劉源翔,崔 巖,李 睿,葛立坤

(中國北方車輛研究所 總體技術部,北京 100072)

為解決可控滾轉電動舵機在低旋尾翼彈上的應用,以舵體為研究對象,分析了作用在舵體上的力矩,建立了系統動力學模型;在分析舵機結構的基礎上建立了舵機機構的的動力學模型和系統動力學模型。在不同的工況條件下對系統模型進行了分析和驗證,分析結果驗證了系統動力學模型的正確性。仿真結果表明,該舵機降低了伺服電機功率及響應速度的要求,提高了舵面效率,為在低旋制導炮彈上的應用提供了一種新的解決方案及理論參考。

制導炮彈;可控滾轉舵機;電動舵機;動力學模型

目前,對于低旋制導炮彈的控制大多采用鴨舵控制、脈沖矢量控制及彈頭修正[1]等簡易制導控制技術。文獻[2]較為全面地介紹了不同類型彈道修正執行機構,并分析了各自的工作原理及優缺點。文獻[3]設計了一種彈道修正引信電動舵機并仿真驗證了其可行性。文獻[4-5]探討了采用脈沖發動機直接進行質心控制的方案,但是脈沖發動機修正力有限,安裝位置苛刻以及噴流對彈的氣動特性有很大的影響。文獻[6]提出一種新型的四軸聯動舵機,通過一個舵機實現4片舵翼的同時控制,在一定程度上降低了舵機輸出功率,并沒有提高舵片的偏轉速度和效率。針對制導炮彈舵機控制效率較低的問題,文獻[7]提出了一類可應用于旋轉彈控制的可控滾轉舵執行機構,提高了舵機的舵面效率,并降低對伺服電機功率及響應速度的需求,但只對舵系統的滾轉控制原理做了初步的研究,尚未對系統動力學模型做進一步的分析和討論。

1 舵系統結構和原理

可控滾轉舵系統可以相對于彈體自由滾轉,通過控制舵機艙的滾轉,調整導彈的最大升力面,減小通道間的耦合[5]。可控滾轉舵系統的鴨式布局示意圖如圖1所示,系統采用單通道控制方式,舵機艙可以由機構保證與彈體相對自由滾轉,系統的2個舵翼由2個獨立的電機控制,其工作原理在文獻[7]中已經有詳細的論述。

圖1 可控滾轉舵系統鴨式布局

對于傳統的旋轉彈執行機構,彈體旋轉一周,在從0°～360°的任一方向上均可出現一次向該方向提供控制力的機會,舵翼提供給彈體等效周期控制力實現對彈道的修正。而可控滾轉執行機構可以在任意時刻任意方位上實現對彈體的控制,在系統滾轉角指令不變時,舵機艙相對于準彈體坐標系的滾轉角穩定,此時舵機艙以彈體的滾轉速度反向滾轉。如果已知彈體的偏離方位,需要改變滾轉角時,兩片舵片作差動,產生副翼作用,調整舵機艙的滾轉速度,以此調整滾轉角。當滾轉角穩定后,利用差動舵產生的控制力抵消摩擦力矩,以維持相對彈體坐標系轉動,并在此過程中完成在此方向上的舵片偏轉,實現彈體向該方向的機動。為了實現上述過程,采用如圖2所示的舵偏角控制執行機構。

圖2 舵偏角控制執行機構

該系統舵偏角是通過主轉環與前、后轉環的運動差產生的。主轉環的空間位置實際上就是舵機的方位角,通過前、后轉環的運動,產生舵偏角。舵偏角在空氣動力的作用下,推動主轉環運動,達到對方位角的調整。

顯然,該系統主要依靠空氣動力維持滾轉角的穩定,大大降低了對電機功率的需求;舵機一直處于工作狀態,提高了系統的響應速度;當舵系統滾轉角穩定后,旋轉導彈可以使用傾斜轉彎(BTT)控制方式提高其機動性能。

2 可控滾轉舵系統模型分析

2.1 舵機動力學模型分析

舵偏角定義為舵面與舵軸所在的彈體橫對稱面的夾角,順時針為正。如圖3所示,前轉環運動形成的舵偏角為δ1,后轉環運動形成的舵偏角為δ2,此時舵偏角為正,速度v方向表示來流方向。

圖3 舵偏角示意圖

定義等效舵偏角δD和等效副翼偏角δF分別為

(1)

(2)

以舵體為研究對象,作用在舵體上的力矩包括:由副翼作用引起的空氣動力矩MF和由舵體與彈體的相對運動引起的摩擦阻尼力矩MV,其分別為

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(3)

(4)

根據上述定義,準彈體坐標系下舵體滾轉運動的動力學方程為

(5)

(6)

式中:s為傳遞函數算子。舵機艙滾轉模型如圖4所示,圖中,τ3為轉環轉動角度到舵片偏轉角度的減速比。

圖4 舵機艙滾轉模型框圖

由此可得等效副翼偏角對彈體滾轉角的傳遞函數:

(7)

同理,彈體滾轉角速度對舵體滾轉角的擾動傳遞函數為

(8)

2.2 舵機結構模型分析

根據上述分析,建立整個機械機構的動力學及運動學部分的系統框圖,如圖5所示,圖中忽略了由于非線性引起的轉速。圖中,GNL表示結構限位的非線性模型部分,n1和n2為2個電機的轉速,τ1和τ2為減速機構的減速比,τ3為前(后)轉環到舵面偏角的減速比。

圖5 系統機械結構模型系統框圖

等效副翼偏角δF、等效舵偏角δD的傳遞函數表示為

(9)

舵機艙滾轉方位角與等效副翼偏角的關系表達式為

(10)

將式(9)代入式(10),整理可得:

(11)

(12)

式中:n=(n1+n2)/2,為電機的基準轉速,即穩態時電機具有一定的基準轉速,轉速的大小與系統的減速比和彈體的滾轉速度有關。

系統中伺服電機模型簡化為

(13)

式中:km為電機的轉矩常數,Tm為電機機電時間常數,u1和u2為副翼控制指令。

理想條件下,副翼作用時令u1=u2=u,可得舵機艙滾轉方位角傳遞函數:

(14)

系統擾動傳遞函數:

(15)

3 模型驗證與分析

3.1 不同條件下的模型驗證

根據上述建立的系統模型,驗證舵機在不同條件下該系統模型的正確性。

圖時方位角及舵偏角響應曲線

此時導彈相當于不滾轉彈,到達目標方位角后,由于彈體不滾轉,舵面在方位角穩定后將穩定在零位。仿真結果如圖7所示。

圖時方位角及舵偏角響應曲線

此時無空氣動力矩作用,與地面模擬試驗條件相同,舵機完全依靠前(后)轉環拖動主轉環運動,舵翼處于結構限位條件下,方位角穩定時,電機一直處于恒速轉動狀態。仿真結果如圖8所示。

圖時方位角及舵偏角響應曲線

此時,無空氣動力矩作用且彈體不滾轉,舵機完全依靠前(后)轉環拖動主轉環運動,舵翼處于結構限位條件下,方位角穩定時,電機轉速為0。仿真結果如圖9所示。

圖時方位角及舵偏角響應曲線

條件③和條件④時,電機工作狀態的仿真結果如圖10所示。

圖10 電機轉速曲線

3.2 仿真結果分析

將圖7與圖6對比可知,在彈體不滾轉時,系統方位角的超調量更大;在方位角穩定上,彈體不滾轉條件下的舵偏角更小,且穩態時舵翼的穩態角度為0;而彈體滾轉時,穩態的舵翼角度不為0,因為此時需要提供副翼作用抵消彈體的滾轉,保持方位角的穩定。

綜上所述,對于該可控滾轉電動舵機,在有空氣動力矩作用下,系統的響應時間會變快,系統的超調量也相對較大,在彈體滾轉條件下,方位角穩定時,系統的舵偏角不為0。伺服電機的穩態轉速也不為0;在沒有空氣動力矩作用時,方位角的變化完全依靠結構的限位,由伺服電機驅動前(后)轉環拖動運動。當彈體滾轉條件下,方位角穩定時,系統的舵偏角為滿舵偏,伺服電機的穩態轉速也不為0。上面的仿真結果也充分驗證了這一點,說明系統的模型是正確的。

4 結論

本文通過對可控滾轉舵系統結構組成原理及工作原理進一步分析和研究,建立了舵機的結構和動力學模型,并通過仿真驗證了舵機在不同工作條件下模型的正確性,為此類舵機在旋轉導彈上的應用提供了參考。

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Modeling and Analysis of Controllable-rolling Actuactor System

LIU Yuan-xiang,CUI Yan,LI Rui,GE Li-kun

(General Technical Department,China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China)

In order to study the application of controllable-rolling actuactor(CRA)on finned projectile,the actuator was taken as study object.The moment acting on actuator was analyzed,and the system dynamics model was built.The structure of actuator was analyzed,and the dynamic model of actuator and the dynamics model of system were built.The system model under different condition was analyzed and verified.The result indicates that the dynamic model of the system is correct.The requirement of power and response speed of servo motor are reduced by the actuator,and the rudder wings efficiency is improved.The study offers solution and theory for the application of actuator on the guided projectile.

guided projectile;controllable-rolling actuator;electromechanical actuator;dynamic model

2016-09-06

劉源翔(1986- ),男,工程師,研究方向為履帶車輛總體設計。E-mail:liuxiangningxiang@126.com。

TJ765.2

A

1004-499X(2017)01-0017-05