旋轉導彈舵指令限幅方法研究*

樓朝飛，張銳，李錦

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，采用旋轉導彈的防空武器系統(tǒng)是一類以低空和超低空入侵的飛機、直升機、巡航導彈為目標的防空武器。由于它所具備的一些特點，尤其在價格低廉、使用簡便、機動靈活、適于大量裝備等方面的優(yōu)勢，很快被戰(zhàn)場接受，成為局部戰(zhàn)爭中的一種重要防空兵器。采用旋轉導彈的艦載末端反導武器系統(tǒng)是一種高速、高火力、輕型、快速反應自主防御的武器系統(tǒng)，是一種具有發(fā)射后不管，制導精度高及抗干擾能力強的武器系統(tǒng)[1-4]。

對于采用一對舵面的單通道控制系統(tǒng)來說，導彈的旋轉使舵偏產生的控制力在空間以同一頻率旋轉。理論與實踐證明：通過舵面作與彈旋同頻率的正弦偏轉運動或者作等幅不等寬的偏轉運動，都能對旋轉導彈產生控制力[5-7]。

對于舵機這種執(zhí)行機構來說，都有一個指令輸入范圍，因此在形成舵指令時需要對其進行限幅設計[8-15]。而在采用與彈旋同頻率作正弦偏轉運動的舵機來說，不僅要保證指令在輸入范圍之內，同時還要保證限幅之后盡量保持原有正弦信號的特性，包括頻率特性和相位特性。對于旋轉彈舵機來說，對1 V指令的階躍響應要求為上升時間不大于0.01 s，超調量不大于50%；對0.1 V的頻率特性要求為-3 dB對應的頻率不低于80 Hz。

本文首先分析了常用指令限幅的方法，通過分析得出其對旋轉導彈應用的局限性，并對產生局限性的原因進行了分析。基于此分析提出了旋轉導彈舵指令限幅方法，通過仿真驗證得出了該方法的有效性。

1 常用指令限幅的設計與分析

對于舵機這種執(zhí)行機構來說，都存在一個運動范圍，相對應的，對舵指令來說都應該有一個限幅。常用的指令限幅的形式為

(1)

限幅特性示意圖如1所示。

圖1 限幅示意圖Fig.1 Structure chart of clipping

限幅值y0的具體數(shù)值，必須要滿足舵機的輸入限幅要求。

旋轉導彈在飛行過程中不斷旋轉，舵機在飛行過程中也跟隨彈旋變換，其指令形式為正弦指令，通過正弦指令實施對導彈的控制。

在干擾等因素的影響下，導彈需要較大的指令來消除干擾，因此舵指令會超出舵機的輸入范圍，因此采用傳統(tǒng)的指令限幅方式將會出現(xiàn)類似方波的現(xiàn)象。如圖2所示，u1為舵指令(假設幅值為10 V的正弦信號)，舵指令限幅值為2 V，則采用常用的指令限幅方法得到u2所示的舵指令。從圖2可以看出，由于指令遠大于限幅值，經(jīng)過限幅之后將得到類似方波的信號。

圖2 限幅前后的正弦信號Fig.2 Sine signal and clipped signal

而對于采用與彈旋同頻率作正弦偏轉運動的舵機來說，對正弦信號的響應滯后要求有嚴格的限制，但是對于類似方波的信號響應滯后較大，這將會影響控制系統(tǒng)對旋轉導彈的控制效果。如圖3所示為旋轉導彈指令與響應曲線，其中u1為限幅之前的舵指令，u2為指令限幅之后的舵指令，r為舵機的響應。

圖3 指令與響應曲線Fig.3 Instruction and response curve

由圖3可知，舵機對類似方波信號的響應能力較差，存在較大的滯后，這將嚴重影響對旋轉導彈的控制效果。

2 旋轉導彈舵指令限幅方法的提出

為了避免舵指令出現(xiàn)類似方波信號的情況出現(xiàn)，考慮到一個正弦信號包含有3要素：幅值、頻率和相位。因此，如果通過幅值這個參數(shù)來進行限幅，那么限幅之后的信號既保持了相應的頻率和相位，同時又實現(xiàn)了指令限幅的功能。如圖4所示，u1為舵指令(假設幅值為10 V的正弦信號)，舵指令限幅值為2 V，采用幅值限幅方法就可以得到u3所示的舵指令，即幅值為2 V的正弦信號。

圖4 幅值限幅前后的正弦信號Fig.4 Sine signal and clipped one based on breadth clipping

通過上述旋轉導彈數(shù)據(jù)的分析，旋轉導彈舵指令限幅的設計步驟如下：

(1) 指令寫成正弦函數(shù)的標準形式y(tǒng)=Asin(ωt+φ)，其中，A，ω，φ分別對應正弦信號的幅值，頻率和相位。

3 仿真驗證

采用旋轉導彈舵指令幅值限幅方法，可以得到如圖5所示為旋轉導彈指令與響應曲線，其中u1為限幅之前的舵指令，u2為通過幅值限幅之后的舵指令，r為舵機的響應。

圖5 旋轉導彈舵指令與響應曲線Fig.5 Instruction and response curve

由圖5可知，經(jīng)過幅值限幅之后，指令保持了原有的頻率與相位，實現(xiàn)了限幅的要求。同時通過對比限幅之后的指令與舵機的響應曲線，舵機的跟隨特性很好，表明這種限幅方式能夠充分發(fā)揮舵機的性能，為導彈的控制帶來良好的基礎。

4 結束語

通過分析，采用常規(guī)的限幅方式所得到的指令不適合旋轉導彈舵機的工作，而通過幅值限幅的方式更能夠適應隨彈旋頻率正弦偏轉的舵機的工作，基于此設計了基于幅值限幅的旋轉導彈舵指令限幅方式。通過仿真驗證，該限幅方式可以保證舵機的工作性能，為導彈控制建立良好的基礎，有效實現(xiàn)旋轉導彈的控制。

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