王改娣, 黃華紅, 呂艷慧

?

限幅特性在魚雷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王改娣, 黃華紅, 呂艷慧

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

限幅特性技術(shù)在魚雷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)中已被廣泛應(yīng)用, 本文以繼電控制的魚雷深度縱傾系統(tǒng)為例, 分析了限幅器的限幅特性作用機(jī)理和系統(tǒng)工作原理, 在對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了限幅參數(shù)優(yōu)化仿真計(jì)算與分析。結(jié)果表明, 限幅特性不但可以方便地實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換, 而且可以發(fā)揮系統(tǒng)最大能力, 使得魚雷尋深彈道到達(dá)最優(yōu), 滿足魚雷深淺水的使用要求, 該結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

魚雷控制系統(tǒng); 限幅特性; 參數(shù)優(yōu)化; 尋深彈道; 仿真

0 引言

對(duì)魚雷控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 無(wú)論是線性控制系統(tǒng)還是非線性控制系統(tǒng), 在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中, 通常存在或人為加入了多種限幅器?，F(xiàn)以魚雷深度縱傾通道為例來(lái)分析這些限幅器及其限幅特性在魚雷控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖１為魚雷控制系統(tǒng)限幅設(shè)計(jì)示意圖。從圖中可以看出, 魚雷深度縱傾控制系統(tǒng)是一個(gè)具有非線性環(huán)節(jié)的復(fù)雜控制系統(tǒng), 其被控對(duì)象為雷體, 被控量為魚雷深度。由內(nèi)到外包含了3個(gè)閉環(huán)控制環(huán)路, 即角速率控制環(huán)路、角度控制環(huán)路和深度控制環(huán)路, 每個(gè)環(huán)路都存在有限幅器, 不同限幅器發(fā)揮著不同的作用。

本文將圖1中限幅器的限幅特性分為兩類, 一類是控制器件本身存在的限幅特性, 如限幅器3~限幅器6; 另一類是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)人為加入的限幅特性, 如限幅器1和限幅器2。第1類限幅特性是根據(jù)魚雷研制中總體要求和控制器件實(shí)現(xiàn)的可行性所確定的, 在實(shí)際產(chǎn)品中客觀存在。由于第1類限幅器涉及到產(chǎn)品組件設(shè)計(jì)和加工的可行性等問(wèn)題, 本文不過(guò)多贅述。本文著重分析和回答第2類限幅器的應(yīng)用。

為了方便說(shuō)明, 以繼電控制的魚雷深度縱傾系統(tǒng)為例來(lái)討論這類限幅器作用、限幅特性的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)工作原理, 并通過(guò)仿真說(shuō)明如何與控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化, 使得控制系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述

假設(shè)圖1中控制律為繼電方式, 舵機(jī)小回路為速率控制方式, 則該系統(tǒng)簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)描述如圖2所示。圖中,為舵機(jī)傳遞函數(shù);為雷體傳遞函數(shù);為水平舵角, rad;為俯仰角速率, rad/s;為俯仰角, rad;表示深度, m;為速度, m/s;表示設(shè)定深度, m;為俯仰角速率控制系數(shù);為深度微分控制系數(shù);為深度控制系數(shù);~為相應(yīng)限幅器的限幅值。

圖2 深度控制的數(shù)學(xué)模型框圖

圖2中為了減小入水初始段姿態(tài)傳感器輸出誤差對(duì)深度控制精度的影響, 而直接引入深度微分信號(hào)參與控制。根據(jù)系統(tǒng)工作原理和模型特點(diǎn), 決定了本文討論的魚雷控制系統(tǒng)是利用固有振蕩的振蕩伺服系統(tǒng), 其振蕩特性與控制參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān), 本文只研究控制系統(tǒng)中的限幅特性對(duì)初始尋深彈道的影響。

2 限幅特性作用機(jī)理

根據(jù)圖2, 在魚雷入水后尋深定深過(guò)程中, 由于運(yùn)動(dòng)參數(shù)的大范圍變化, 魚雷深度縱傾通道往往會(huì)出現(xiàn)3種控制狀態(tài), 即角速率控制、定角爬潛控制和定深控制, 魚雷瞬態(tài)只能處在一種狀態(tài)中, 這3種狀態(tài)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

如前可知, 魚雷深度縱傾控制系統(tǒng)由內(nèi)到外包含了角速率控制、角度控制和深度控制3個(gè)閉環(huán)控制環(huán)路。當(dāng)魚雷入水時(shí), 設(shè)定的搜索深度與魚雷初始深度的瞬時(shí)深度差使限幅器1呈限幅狀態(tài), 若限幅器2未限幅, 魚雷則以限幅器1的限幅值為指令, 實(shí)現(xiàn)定深度速率或定角爬潛運(yùn)動(dòng)。如果在這一過(guò)程中, 限幅器2出現(xiàn)了限幅, 魚雷則以限幅器2的限幅值為指令, 實(shí)現(xiàn)定角速率控制下的旋回運(yùn)動(dòng)。隨著魚雷深度的增大, 與搜索深度差值減小, 限幅器1進(jìn)入線性狀態(tài), 系統(tǒng)處于深度控制狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理, 限幅特性在控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換中的作用機(jī)理如下。

1) 當(dāng)限幅器2工作在限幅狀態(tài)時(shí), 系統(tǒng)呈現(xiàn)角速率控制狀態(tài), 即角速率環(huán)路在工作, 限幅值成為角速率指令, 綜合控制電壓為

2) 當(dāng)限幅器1工作在限幅狀態(tài)時(shí), 而限幅器2不限幅時(shí), 系統(tǒng)呈現(xiàn)深度速率或定角控制狀態(tài), 即深度速率或姿態(tài)環(huán)在工作, 限幅值成為深度速率或姿態(tài)指令, 綜合控制電壓為

(2)

3) 當(dāng)限幅器1和限幅器2均未工作在限幅狀態(tài)時(shí), 系統(tǒng)呈現(xiàn)深度控制狀態(tài), 即深度環(huán)在工作, 此時(shí)的綜合控制電壓為

需要強(qiáng)調(diào)的是, 以上控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換是自動(dòng)進(jìn)行的，完全取決于魚雷所處的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng), 并不是按照彈道設(shè)計(jì)順序或程序控制進(jìn)行的固定轉(zhuǎn)換。

3 限幅參數(shù)優(yōu)化及仿真分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)限幅值, 可使系統(tǒng)處于最優(yōu)控制狀態(tài), 魚雷一入水, 就以可用的最大機(jī)動(dòng)能力快速穩(wěn)定地進(jìn)入定深狀態(tài)。下面將針對(duì)限幅器2和限幅器1的作用來(lái)開(kāi)展仿真研究。

3.1 限幅器2

限幅器2直接影響到內(nèi)回路穩(wěn)定性, 所以首先應(yīng)該確定限幅器2的限幅值。從圖2不難看出, 限幅器2是對(duì)角速度指令的限幅, 它限制了角速度指令的最大施加值, 由速率控制方式可知, 它的設(shè)計(jì)應(yīng)符合

不難看出, 限幅值的選取應(yīng)小于速率傳感器的限幅值, 如果不滿足式(4), 則會(huì)引起控制系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)散。所以, 對(duì)于本文所研究的系統(tǒng), 要求限幅值在不影響系統(tǒng)振蕩參數(shù)的前提下, 又要發(fā)揮出敏感元器件的最大能力。

在其他控制參數(shù)不變的情況下, 假設(shè)舵機(jī)限幅為10°, 速率傳感器的輸出限幅為40°/s, 設(shè)定限幅值分別為35°/s和45°/s, 則得到魚雷的實(shí)際角速率ω和舵角δ的仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 不同限幅值對(duì)輸出影響

在分析圖3仿真結(jié)果時(shí), 要考慮伺服振蕩控制系統(tǒng)的輸出特性, 即角速率按照一定周期和幅值振蕩變化。從圖3(a)可看出, 若限幅值小于速率傳感器本身的限幅值, 則系統(tǒng)靠振蕩實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制, 圖3(b)中一旦限幅值大于, 系統(tǒng)將停止振蕩, 舵角限幅, 角速度增大, 實(shí)際系統(tǒng)將失控發(fā)散。

進(jìn)一步的研究表明,限幅值的選取, 還可以根據(jù)需要在彈道不同階段選取不同的數(shù)值, 以限制魚雷在縱平面運(yùn)動(dòng)的俯仰角速度, 如魚雷上限控制時(shí), 為了避免魚雷上爬跳水、動(dòng)力系統(tǒng)燃料晃動(dòng)等, 可適當(dāng)減小限幅值。

3.2 限幅器1

對(duì)于定深控制, 限幅器1的限幅值選擇, 是在其他控制參數(shù)及限幅值確定的條件下進(jìn)行的, 其目的是使魚雷大俯仰角入水時(shí), 初始袋深最小, 而在小俯仰角入水時(shí), 深度不出現(xiàn)反彈現(xiàn)象, 尤其是對(duì)魚雷的淺水控制, 限幅值的選擇很重要。

根據(jù)圖1和圖2工作原理, 魚雷入水初期, 存在大深度差時(shí), 限幅值不但決定了環(huán)路2與環(huán)路3的轉(zhuǎn)換深度, 而且還控制了魚雷爬潛角度, 爬潛角度計(jì)算公式

式(5)中的值, 應(yīng)根據(jù)不同的彈道要求確定, 對(duì)于深水尋深彈道, 應(yīng)滿足定角下潛要求, 對(duì)于淺水尋深彈道, 應(yīng)滿足淺水彈道最優(yōu)控制效果。

在3.1節(jié)研究的基礎(chǔ)上, 設(shè)定y為-35 m, 初始深度為-5 m, , 通過(guò)改變限幅值, 對(duì)魚雷在不同入水角(分別為-10°,-88°)下的尋深彈道進(jìn)行仿真計(jì)算, 得到魚雷深度超調(diào)△及達(dá)到最大深度時(shí)間的仿真結(jié)果(見(jiàn)表1), 同時(shí)為了對(duì)比分析入水角對(duì)尋深彈道的影響, 圖4給出了為10 m時(shí)不同入水角下運(yùn)動(dòng)參數(shù)仿真曲線。

從表1的仿真結(jié)果可以看出, 對(duì)于小姿態(tài)角入水條件, 限幅值決定了魚雷在尋深過(guò)程中下潛角的大小,越大, 下潛角越大, 尋深時(shí)間越短, 但深度超調(diào)也越大。對(duì)于大姿態(tài)角入水條件, 魚雷首先以系統(tǒng)的最大機(jī)動(dòng)能力即限幅值進(jìn)行角速度控制下深度拉平, 限幅值在一定范圍內(nèi)不影響控制效果, 但隨著繼續(xù)增大, 尋深時(shí)間變長(zhǎng)且深度超調(diào)增大。

根據(jù)圖4, 在同一限幅值下, 由于入水參數(shù)的不同, 下潛過(guò)程的控制方式也不同, 說(shuō)明了本文研究的限幅特性和是可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的。

表1 不同入水角下深度超調(diào)仿真結(jié)果

圖4 O1=10 m時(shí)不同入水角下運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化曲線

若限幅參數(shù)選取得當(dāng), 即可保證尋深彈道不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大超調(diào), 又可快速平穩(wěn)過(guò)渡到搜索深度上。不難看出, 對(duì)本文所研究的系統(tǒng)及設(shè)定的仿真條件, 限幅值在10 m左右時(shí), 深度超調(diào)和到達(dá)最大深度的時(shí)間比較匹配, 可為最優(yōu)選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)具有繼電控制的魚雷控制系統(tǒng), 研究了限幅器的類型和作用, 在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上, 首先對(duì)不同限幅器的限幅特性作用機(jī)理和系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析, 然后進(jìn)行了限幅參數(shù)的優(yōu)化和對(duì)系統(tǒng)影響的仿真計(jì)算。研究結(jié)果表明, 限幅特性可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道參數(shù)和彈道不同階段的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的限制, 可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)和控制方式的轉(zhuǎn)換, 限幅特性與控制參數(shù)綜合選擇可以使魚雷初始彈道達(dá)到最優(yōu), 其效果是僅依靠控制系數(shù)優(yōu)化所不能達(dá)到的。

[1] 徐德民.魚雷自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1991.

[2] 高劍, 徐德民, 潘瑛, 等.魚雷縱向運(yùn)動(dòng)的非線性自適應(yīng)滑?？刂芠J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2005, 25(3): 155-157. Gao Jian, Xu De-min, Pan Ying, et al. Nonlinear Ad- aptive Sliding-Mode Controller for the Longitudinal Control of the Torpedo[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2005, 25(3):155-157.

[3] 緒方勝?gòu)?美). 現(xiàn)代控制工程[M]. 4版. 盧伯英, 于海勛, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.

[4] 張宇文. 魚雷彈道與彈道設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Application of Amplitude Limit Characteristic to Torpedo Control System Design

WANG Gai-di, HUANG Hua-hong, LüYan-hui

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The action mechanism of amplitude limit characteristic and system working principle are analyzed by taking an example of a torpedo depth pitch system with relay control. Based on the mathematical description of this system, the amplitude limit parameters are optimized and analyzed via simulation. The results show that the amplitude limit characteristic can realize the automatic transition of control status, maximize system capacity, and optimize the depth searching trajectory for torpedo to meet the requirement of torpedo usage in deep or shallow sea.

torpedo control system；amplitude limit characteristic; parameter optimization; depth searching trajectory; simulation

TJ630.33

A

1673-1948(2011)06-0451-04

2011-03-03;

2011-05-03.

王改娣(1964-), 女, 研究員, 主要從事魚雷總體性能和彈道仿真建模研究.