姚 勤，諸毓武，吳 宇

（海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 200233）

導(dǎo)彈控制系統(tǒng)是根據(jù)制導(dǎo)指令正確而快速地操縱導(dǎo)彈飛向目標(biāo)，因此對(duì)系統(tǒng)的控制精度和快速響應(yīng)性都有較高的要求。以往的控制系統(tǒng)大多采用模擬電路，其主要缺點(diǎn)是缺乏靈活性。由于控制方案必須由模擬硬件來(lái)完成，且控制功能、控制規(guī)律必須與硬件一一對(duì)應(yīng)，因此改變控制方案就必須更換模擬硬件。同時(shí)，分離器件的大量使用，也導(dǎo)致了系統(tǒng)可靠性降低。許多器件由于材料本身的稀缺和陸續(xù)停產(chǎn)使得生產(chǎn)成本提高、生產(chǎn)管理難度大，給批量生產(chǎn)調(diào)試及維修帶來(lái)越來(lái)越多的問(wèn)題。用數(shù)字技術(shù)構(gòu)成的駕駛儀系統(tǒng)取代原來(lái)的由模擬硬件組成的系統(tǒng)，情況就會(huì)大大改觀[1]。

一般而言，數(shù)字化設(shè)計(jì)方法有兩種：一種是模擬化設(shè)計(jì)方法，即在一定的條件下近似地把它看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)分析工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)，將整個(gè)回路當(dāng)成連續(xù)系統(tǒng)在連續(xù)域內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后把得到的連續(xù)控制算法變換為離散算法在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)；另一種是離散化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換將其變成“純粹”的離散系統(tǒng)，用Z變換等工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，直接得出由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的離散算法[2]。

模擬化設(shè)計(jì)方法理論很成熟，設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，在工程實(shí)際中被廣泛的應(yīng)用[3]。本文針對(duì)三通道控制系統(tǒng)俯仰回路的典型結(jié)構(gòu)，采用模擬化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化改進(jìn)。

1 模擬控制電路結(jié)構(gòu)

俯仰回路采用非線性繼電控制，由兩條回路組成。其內(nèi)回路通過(guò)導(dǎo)彈姿態(tài)角速度形成，稱阻尼回路，外回路通過(guò)導(dǎo)彈加速度形成，稱加速度反饋回路。圖1為控制系統(tǒng)俯仰回路的系統(tǒng)組成框圖。

圖1 俯仰回路組成框圖

其中校正網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖2所示；雙T網(wǎng)絡(luò)電原理圖如圖3所示。

從圖中可以看出電路中使用了大量的分離器件，且不少控制器中都含有各種形式的模擬積分器，天然地存在積分漂移等缺陷，即便對(duì)阻容器件和運(yùn)放提出很高乃至很苛刻的要求，也常常很難克服這些問(wèn)題。

作為模擬式控制回路核心部分的校正網(wǎng)絡(luò)，大多采用阻容器件及運(yùn)算放大器組成，其中的電阻R1、R3、R4、R5和電容C6、C7為關(guān)鍵器件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)影響較大,精度等級(jí)在2%乃至更高。在不靈敏繼電特性實(shí)現(xiàn)的雙T網(wǎng)絡(luò)電路中，由于繼電器特性對(duì)系統(tǒng)全通道的控制有所影響，因此在選用電阻時(shí)需提出很苛刻的要求。

圖2 校正網(wǎng)絡(luò)電原理圖

圖3 雙T網(wǎng)絡(luò)電原理圖

2 數(shù)字化改進(jìn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

模擬化設(shè)計(jì)的過(guò)程是先將控制系統(tǒng)作為連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，得到控制算法和控制參數(shù)，而后對(duì)控制器進(jìn)行離散化。因此，其關(guān)鍵技術(shù)包括硬件,控制算法及采樣周期的選擇。

2.1 硬件的選擇

綜合目前的模擬控制器的技術(shù)指標(biāo)和各種邊界條件，使用單片機(jī)）完成相關(guān)的校正網(wǎng)絡(luò)、濾波處理及帶不靈敏區(qū)的繼電特性的產(chǎn)生，采用如圖4所示的數(shù)字化控制電路結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。其核心部件為16位M8797BH單片機(jī)，在12HZ晶振下，有較強(qiáng)的I/O能力和比較齊全的指令系統(tǒng)。它通過(guò)8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接對(duì)自動(dòng)駕駛儀多路可測(cè)量控制信號(hào)進(jìn)行訪問(wèn)和轉(zhuǎn)換，在采樣操作周期內(nèi)刷新一次輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令。由于完成控制量全部采樣操作所用的時(shí)間，只占一個(gè)控制步時(shí)間的30%，所以有足夠的時(shí)間可提供駕駛儀系統(tǒng)增加新功能的操作?？刂茟?yīng)用程序只占硬件EPROM的36%，數(shù)據(jù)、變量占硬件設(shè)計(jì)RAM的62%，尚留有足夠的未用存儲(chǔ)空間，以滿足駕駛儀系統(tǒng)進(jìn)一步性能改善和增加系統(tǒng)其它功能的需要。

圖4 數(shù)字電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制算法的選擇

目前有多種方法可將連續(xù)域內(nèi)的控制算法近似變換為離散算法。比較來(lái)看，雙線性變換可以有效地保護(hù)離散化后系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

將模擬控制器的傳遞函數(shù)△(σ)轉(zhuǎn)換成微分方程，再用差分方程近似該微分方程，最后求得ζ傳遞函數(shù)，將連續(xù)域內(nèi)的△(σ)轉(zhuǎn)換成離散域的△(ζ)，即

其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

或

校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為

采用雙線性變換，采樣周期取0.5ms,對(duì)應(yīng)的離散傳遞函數(shù)為：

雙T網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二階環(huán)節(jié)，使用龍格庫(kù)塔法是不行的，主要是該環(huán)節(jié)相對(duì)是一個(gè)高速的網(wǎng)絡(luò)，使用龍格庫(kù)塔法很容易產(chǎn)生溢出，只能采用離散的計(jì)算方法產(chǎn)生一個(gè)IIR數(shù)字濾波器。

其它一階濾波器的處理和繼電特性傳遞函數(shù)，可以按照離散計(jì)算法完成相關(guān)的運(yùn)算。

2.3 數(shù)字系統(tǒng)采樣周期的確定

在離散系統(tǒng)中，采樣周期是關(guān)鍵參數(shù)之一，選擇時(shí)主要考慮經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)頻率、頻帶的影響及計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的約束等因素，根據(jù)對(duì)象特征、動(dòng)態(tài)性能要求、彈上計(jì)算機(jī)速度等實(shí)際情況合理選擇。T選得大，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不利，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；T選的小，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有利，但要加重計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。為確保系統(tǒng)的性能，選用采樣周期為2ms。完整的俯仰回路系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

圖5 數(shù)字仿真模型

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，本例選取了兩個(gè)參數(shù)點(diǎn)對(duì)俯仰回路和滾動(dòng)回路進(jìn)行數(shù)字定點(diǎn)仿真。

數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀的仿真曲線見(jiàn)圖6和圖7，仿真結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，各主要?dú)鈩?dòng)點(diǎn)的考核參數(shù)均能滿足駕駛儀動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，各主要?dú)鈩?dòng)點(diǎn)在加干擾狀態(tài)下波形穩(wěn)定無(wú)超調(diào)。

表1 數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀仿真結(jié)果

圖6 2.2Ma時(shí)俯仰通道指令響應(yīng)曲線

圖7 0.2Ma時(shí)俯仰通道抗干擾仿真曲線

將數(shù)字控制系統(tǒng)和原模擬控制系統(tǒng)測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，可驗(yàn)證數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀與原模擬式自動(dòng)駕駛儀性能的一致性，曲線見(jiàn)圖8所示。

通過(guò)對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)和原模擬控制測(cè)試曲線的對(duì)比分析可以看出，兩者測(cè)試結(jié)果基本一致，說(shuō)明模擬控制系統(tǒng)按前述方法進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)是可行的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)俯仰回路的控制電路模塊的數(shù)字化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了數(shù)字化改進(jìn)的方法的可行性。其好處有：

1）自動(dòng)控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的控制規(guī)律程序化。要改變控制規(guī)律，只需改變程序，無(wú)需改動(dòng)硬件。這給方案設(shè)計(jì)更改、改變系統(tǒng)性能帶來(lái)方便，使系統(tǒng)具有很好的通用性和靈活性。

圖8 俯偏通道VD =0.8Ma時(shí)仿真曲線

2）提高了控制系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字部件與模擬部件相比更可靠，數(shù)字信息的傳輸可靠性也比模擬信息的高，這將有效地降低元器件的使用數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。

[1]李猛,陸建軍,姚勤.控制系統(tǒng)中的自補(bǔ)償作用[J].自動(dòng)駕駛儀與紅外技術(shù),2005(3).

[2]王鈞功.數(shù)字伺服系統(tǒng)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1985.

[3]張栓.微計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制中的應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[4]薛定宇.控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1996.

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[6]黃柯棣.系統(tǒng)仿真技術(shù)[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社,1998.