基于變參數(shù)控制的復(fù)合導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡小波，張 瑞，趙 陽，田永全，孫 琦，魏 鑫

(北方光電股份有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜,各種干擾技術(shù)層出不窮,采用傳統(tǒng)單一的制導(dǎo)模式的導(dǎo)引頭極容易被干擾影響,導(dǎo)致智能彈藥的作戰(zhàn)效能下降,而復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)可以有效的克服這一缺點(diǎn),更好的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境[1]。存在的問題是,雖然采用了復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的平臺(tái)式導(dǎo)引頭可以通過使用不同模式的感知系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的不同特征,從根本上加強(qiáng)了抗干擾能力,但是這樣為平臺(tái)式雙模或多模復(fù)合導(dǎo)引頭的伺服控制系統(tǒng)帶來了其他問題。例如文中平臺(tái)式可見光和紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭在不同的工作模式下,會(huì)因探測(cè)器分辨率、視場(chǎng)角及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的不同,導(dǎo)致兩種模式輸出的跟蹤偏差信息存在較大差別,此時(shí)繼續(xù)使用常規(guī)的PID控制方法已經(jīng)不能同時(shí)滿足可見光和紅外復(fù)合導(dǎo)引頭的控制精度和動(dòng)態(tài)性能。而采用“變參數(shù)”PID控制方案可以根據(jù)不同的制導(dǎo)模式,實(shí)時(shí)變換控制參數(shù),從而更好地適應(yīng)由于模式切換導(dǎo)致的“位置環(huán)”輸入偏差變化,進(jìn)而能夠輸出穩(wěn)定的視線角速度信息,滿足整彈應(yīng)用要求。

1 導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)建模

1.1 伺服系統(tǒng)工作原理

文中導(dǎo)引頭伺服控制系統(tǒng)由“電流環(huán)”、“速度環(huán)”和“位置環(huán)”構(gòu)成,伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[2]。

圖1 導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Seeker servo system schematic block

該伺服控制系統(tǒng)為“三環(huán)”控制系統(tǒng),從內(nèi)到外依次是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。各個(gè)環(huán)路的作用主要有[3]:

1)電流環(huán)。電流環(huán)的作用是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩,任何控制模式都需要電流環(huán),電流環(huán)是控制的根本,在系統(tǒng)進(jìn)行速度和位置控制的同時(shí),系統(tǒng)也在進(jìn)行電流/轉(zhuǎn)矩的控制以達(dá)到對(duì)速度和位置的相應(yīng)控制。電流環(huán)減小了元件參數(shù)不穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)的影響及控制回路內(nèi)元件非線性因素的影響[4]。

2)速度環(huán)。速度環(huán)作為電流環(huán)的外環(huán),其輸入是期望速度和速度傳感器實(shí)測(cè)的速度差值,如果速度環(huán)參數(shù)選擇合理,與電流環(huán)配合良好,就可以形成一個(gè)性能較好的穩(wěn)定平臺(tái),使被控載體在慣性空間保持穩(wěn)定,隔離彈體擾動(dòng)對(duì)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)帶來的干擾[5]。

3)位置環(huán)。位置環(huán)在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于最外環(huán)的位置,主要作用是給伺服控制系統(tǒng)輸入所期望到達(dá)的運(yùn)動(dòng)位置。

整個(gè)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)的工作流程為:導(dǎo)彈在上電后,導(dǎo)引頭一般處于電鎖狀態(tài),利用位置傳感器的反饋,使光軸保持在框架零位;在導(dǎo)彈發(fā)射后,切換控制回路至“搜索模式”,此時(shí)導(dǎo)引頭接收來自“搜索回路”的“速度指令”,見圖1中的“速率指令”,實(shí)時(shí)控制光軸的指向,搜索攻擊目標(biāo),這樣做的好處是利用導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)使光軸隔離了彈體擾動(dòng)帶來的影響,回傳至地面的圖像信息穩(wěn)定、清晰;一旦導(dǎo)引頭鎖定攻擊目標(biāo),導(dǎo)引頭切換至“跟蹤回路”,此時(shí)“位置環(huán)”的輸入為“跟蹤偏差信息”,導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤,并輸出視線角速度至彈上計(jì)算機(jī),引導(dǎo)導(dǎo)彈命中目標(biāo)。

文中電視和紅外雙模導(dǎo)引頭主要由共口徑光學(xué)系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圖像跟蹤系統(tǒng)等構(gòu)成。其中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含電機(jī)、角度傳感器、速度傳感器、軸承、配重零件以及導(dǎo)線等,系統(tǒng)較為復(fù)雜,準(zhǔn)確建立整個(gè)系統(tǒng)的模型數(shù)學(xué)模型十分困難,文中主要對(duì)雙模導(dǎo)引頭跟蹤回路的控制方法進(jìn)行研究和仿真,主要建立導(dǎo)引頭的跟蹤回路模型。

1.2 跟蹤回路建模

導(dǎo)引頭的穩(wěn)定平臺(tái)可以同時(shí)在方位和俯仰兩個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因?yàn)樨?fù)載和干擾力矩存在差異,一般情況下這兩個(gè)回路的控制參數(shù)也是不同的,但其控制原理和方法是一致的,因此以導(dǎo)引頭框架的“內(nèi)環(huán)”進(jìn)行仿真和建模。

1.2.1 功率放大電路模型

功率放大電路是控制系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié),其輸出的控制信號(hào)隨輸入的PWM信號(hào)占空比變化,因?yàn)楣β史糯箅娐诽匦?輸入和輸出存在一個(gè)最大可達(dá)一個(gè)開關(guān)周期的延遲,因此,在建立PWM功放數(shù)學(xué)模型時(shí),將其作為一階之后環(huán)節(jié)進(jìn)行處理,其傳遞函數(shù)為[6]:

(1)

式中:Ks為功率放大器的放大系數(shù);Ts為延遲時(shí)間常數(shù)。

考慮到功率放大器的頻率為十幾kHz,因此可以將滯后環(huán)節(jié)看做一個(gè)一階比例環(huán)節(jié):

綜上分析,功率放大電路的數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為Ks。

1.2.2 力矩電機(jī)模型

力矩電機(jī)的電壓平衡方程為[6]:

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為:

Mm=CmIa

(3)

轉(zhuǎn)矩平衡方程為:

(4)

式中:Ce為反電動(dòng)系數(shù);Cm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩;La、Ra為電樞電感和電樞電阻;Ia為電樞電流;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速;J為電子轉(zhuǎn)子上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

綜上分析,力矩電機(jī)和負(fù)載的數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 力矩電機(jī)模型框圖Fig.2 Torque motor model block diagram

1.2.3 陀螺模型

速率陀螺的輸出與其敏感的角速度成正比例關(guān)系,其數(shù)學(xué)模型為:

(5)

式中:ζ為阻尼比;ωn為固有角頻率;Kt為陀螺輸出斜率。

綜上分析,可以得到導(dǎo)引頭的跟蹤回路模型如圖3所示。

圖3 跟蹤回路模型圖Fig.3 Track loop model diagram

其中:Gc(s)為跟蹤回路校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù);K1為前相通道增益;Ks為功率放大器比例系數(shù);Gt(s)速率陀螺環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。

2 跟蹤回路控制系統(tǒng)仿真對(duì)比

為適應(yīng)導(dǎo)引頭跟蹤回路精度高、響應(yīng)快、超調(diào)量小等要求,需要使用一種數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)“偏差信息”進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。目前廣泛采用的控制方法主要有常規(guī)PID控制、基于觀測(cè)器的PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[8]。文中考慮到工程實(shí)際應(yīng)用中,復(fù)雜的算法和低功耗、低成本的矛盾,因此僅對(duì)常規(guī)PID控制方法、變參數(shù)PID控制方法在雙模導(dǎo)引頭跟蹤回路中的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 常規(guī)PID控制模型

圖4為常規(guī)PID控制仿真模型。常規(guī)PID采用的是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制模式,其中位置環(huán)為外環(huán),其輸出為速度環(huán)的輸入,而速度環(huán)的輸出為電流環(huán)的輸入。

圖4 常規(guī)PID控制仿真模型Fig.4 Track loop model diagram

2.2 變參數(shù)PID控制模型

圖5為變參數(shù)PID控制仿真模型。文中的變參數(shù)控制模型其速度環(huán)和電流環(huán)與常規(guī)PID控制模型是一致的,其變參數(shù)主要體現(xiàn)在圖5中位置環(huán)的自適應(yīng)參數(shù)變化環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)的主要作用是將位置環(huán)的PID參數(shù)誤差和誤差的變化量相關(guān)聯(lián),在工程應(yīng)用中,一般需要設(shè)置PID參數(shù)的基礎(chǔ)值及變參數(shù)的可調(diào)節(jié)范圍,其實(shí)質(zhì)是一種自適應(yīng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)方法[7]。

圖5 變參數(shù)PID控制仿真模型Fig.5 Variable parameter PID control simulation model

2.3 對(duì)比分析

圖6、圖7為常規(guī)PID控制和變參數(shù)PID控制在階躍輸入下的響應(yīng)曲線。

圖6 1°階躍響應(yīng)Fig.6 Step response of 1°

圖7 3°階躍響應(yīng)Fig.7 Step response of 3°

圖6所示為1°階躍響應(yīng),圖7為3°階躍響應(yīng),由仿真結(jié)果可以明顯的看出,在兩種不同的階躍激勵(lì)輸入下,變參數(shù)PID控制較常規(guī)PID控制在上升時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)時(shí)間等指標(biāo)上均具有明顯優(yōu)勢(shì),其中上升時(shí)間由原來的100 ms縮短至50 ms;超調(diào)量由8%下降至3%;穩(wěn)態(tài)時(shí)間由150 ms縮短至60 ms。

作者團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行可見光和紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)了控制回路的位置環(huán)輸入在同樣的階躍條件下,可見光模式和紅外模式各自輸出的跟蹤偏差信息存在較大差異,而跟蹤偏差信息是制導(dǎo)控制規(guī)律的重要信息,如果使用常規(guī)PID控制,在工程實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)使用雙模制導(dǎo)導(dǎo)引頭的可見光模式或紅外模式對(duì)同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí),伺服系統(tǒng)會(huì)顧此失彼,無法同時(shí)滿足雙模復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭的技術(shù)指標(biāo)要求,具體表現(xiàn)為兩種模式的伺服系統(tǒng)性能不一致。而變參數(shù)PID控制方法的控制參數(shù)會(huì)根據(jù)不同的輸入實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù),可以很好的解決常規(guī)PID控制方法在雙模制導(dǎo)系統(tǒng)中的出現(xiàn)問題。

3 結(jié)論

為了解決可見光和紅外復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭在不同的工作模式下,因探測(cè)器分辨率、視場(chǎng)角及光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)的不同,導(dǎo)致兩種模式輸出的跟蹤偏差信息存在較大差別,使用常規(guī)PID無法同時(shí)滿足兩種模式的跟蹤計(jì)數(shù)指標(biāo)要求,文中提出了變參數(shù)復(fù)合導(dǎo)引頭PID控制方案,建立了兩種控制方法的跟蹤回路控制模型,進(jìn)行仿真驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明:采用變參數(shù)復(fù)合導(dǎo)引頭PID控制方案能提升復(fù)合導(dǎo)引頭動(dòng)態(tài)性能,減小跟蹤誤差。