李京浩 劉雪松 馮運(yùn)輝

（91550部隊(duì)大連116023）

飛行器飛行控制性能評(píng)估方法研究

李京浩 劉雪松 馮運(yùn)輝

（91550部隊(duì)大連116023）

論文基于飛行器作戰(zhàn)性能考核目的，研究利用綜合評(píng)估方法對(duì)飛行器飛行控制性能進(jìn)行評(píng)估。首先根據(jù)飛行控制理論，把飛行控制性能評(píng)估分為制導(dǎo)系統(tǒng)、姿控系統(tǒng)及綜合控制系統(tǒng)三方面的評(píng)估，并據(jù)此建立飛行器飛行控制性能評(píng)估指標(biāo)體系；然后利用屬性層次模型法進(jìn)行各層指標(biāo)的權(quán)重確定；最后利用飛行器試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出評(píng)估分值并進(jìn)行分析。論文的工作驗(yàn)證了綜合評(píng)估方法在飛行器飛行控制性能評(píng)估中的有效性和適用性，對(duì)飛行器性能考核以及控制系統(tǒng)鑒定等方面研究具有較好的參考意義。

飛行控制性能；綜合評(píng)估；指標(biāo)體系；屬性層次模型

Class NumberV249

1 引言

飛行器研制和定型過程中，需要對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行全面考核，而飛行控制性能作為飛行器的核心能力之一，與飛行器各項(xiàng)關(guān)鍵戰(zhàn)技指標(biāo)密切相關(guān)。因此對(duì)飛行器飛行控制性能進(jìn)行正確評(píng)估是一項(xiàng)非常重要和有意義的工作。目前國內(nèi)關(guān)于飛行器系統(tǒng)性能評(píng)估方面的研究［1～11］成果還比較少，且大部分研究都側(cè)重于設(shè)計(jì)階段的技術(shù)性能指標(biāo)評(píng)估與驗(yàn)證。本文從飛行器試驗(yàn)鑒定角度出發(fā)，梳理分析能夠反映飛行器作戰(zhàn)性能的制導(dǎo)控制系統(tǒng)相關(guān)戰(zhàn)技指標(biāo)，并利用綜合評(píng)估方法對(duì)飛行器的飛行控制性能進(jìn)行了評(píng)估與分析。

2 飛行控制性能評(píng)估指標(biāo)體系

對(duì)飛行器飛行控制性能進(jìn)行評(píng)估，首先要對(duì)飛行控制過程進(jìn)行深入分析［12］，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)影響因素進(jìn)行挑選、歸納和分類，明確各因素之間的關(guān)系，構(gòu)建科學(xué)、合理、層次化的評(píng)估指標(biāo)體系，然后利用合適的評(píng)估綜合方法進(jìn)行評(píng)估與鑒定［13～15］。

根據(jù)飛行器技術(shù)特點(diǎn)及試驗(yàn)鑒定需求，飛行控制性能評(píng)估指標(biāo)體系既要符合飛行控制理論要求，又要能夠反映飛行控制能力相關(guān)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。本文將飛行控制性能評(píng)估分解為制導(dǎo)系統(tǒng)、姿控系統(tǒng)以及綜合控制系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行。把各分系統(tǒng)的性能影響因素提煉出來，按照從屬和關(guān)聯(lián)關(guān)系把它們按照一定的層次結(jié)構(gòu)搭建起來，便構(gòu)成了飛行器飛行控制性能評(píng)估指標(biāo)體系。

根據(jù)制導(dǎo)、姿控以及綜合控制系統(tǒng)特點(diǎn)，分別從制導(dǎo)系統(tǒng)的過程約束、控制量約束、指令平穩(wěn)度、精度約束；姿控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、干擾適應(yīng)能力、跟蹤能力；綜合控制系統(tǒng)的時(shí)序控制、供電能力、配電控制等方面進(jìn)行綜合分析，最終確定評(píng)估指標(biāo)［16］。

2.1 制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)

1）過程約束指標(biāo)

飛行器在主動(dòng)段主要依靠主發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)控制，因此噴管擺角是非常重要的指標(biāo)。另外，在飛行器飛行過程中過載和動(dòng)壓也受到嚴(yán)格限制，若超過最大值，可能會(huì)導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)損壞或者影響級(jí)間分離，因此將這些約束條件作為制導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)來衡量系統(tǒng)性能。

2）控制量約束指標(biāo)

飛行器制導(dǎo)過程控制量也存在著很多限制，比如攻角、攻角變化率、側(cè)滑角、側(cè)滑角變化率等都有最大變化范圍的限制。因此將這些約束條件作為制導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)來衡量系統(tǒng)性能。

3）指令平穩(wěn)度指標(biāo)

飛行過程中，不僅對(duì)指令大小有一定約束，同時(shí)還要考慮指令的變化平穩(wěn)度，如果輸出的控制指令變化較大、較頻繁，不僅會(huì)增大飛行器的能量損耗，同時(shí)也對(duì)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能提出較高的要求。因此，從節(jié)約飛行器能量和降低控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求的角度出發(fā)，將指令平穩(wěn)度作為性能評(píng)估指標(biāo)。

4）精度約束指標(biāo)

主動(dòng)段誤差包括初始誤差、制導(dǎo)方法誤差與制導(dǎo)工具誤差，這些是影響飛行器落點(diǎn)精度的重要參數(shù)，因此將其作為精度評(píng)估指標(biāo)，能夠直接地評(píng)價(jià)制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能。

2.2 姿控系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)

1）動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的好壞直接影響著系統(tǒng)的整體性能，為了考察姿態(tài)控制系統(tǒng)各通道的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，這里通過對(duì)系統(tǒng)輸入響應(yīng)的各指標(biāo)進(jìn)行分析，來評(píng)價(jià)各通道控制系統(tǒng)的精確性、快速性和平穩(wěn)性指標(biāo)。

2）適應(yīng)性指標(biāo)

飛行器控制系統(tǒng)是在不考慮外擾和內(nèi)部不確定性情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。為了考察飛行器的適應(yīng)能力，在仿真模型中加入干擾模型后進(jìn)行多組不同干擾條件下的仿真，將對(duì)應(yīng)的終端表現(xiàn)作為指標(biāo)。干擾量包括大氣密度偏差和風(fēng)干擾。另外，末修姿控噴管總沖消耗量也可以反映姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性。

3）跟蹤能力指標(biāo)

姿控系統(tǒng)的輸入是制導(dǎo)系統(tǒng)輸出的三個(gè)姿態(tài)角指令，如果不考慮伺服系統(tǒng)對(duì)控制效果產(chǎn)生的影響，則姿態(tài)角的實(shí)際值與指令偏差越小，說明姿控系統(tǒng)的控制效果越好。因此，將飛行過程中姿態(tài)角角指令的跟蹤效果作為評(píng)價(jià)姿控系統(tǒng)性能的指標(biāo)。

2.3 綜合控制系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)

1）時(shí)序控制

時(shí)序控制是綜合控制最主要部分，飛行器發(fā)射后將會(huì)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)間分離等時(shí)序。正確的時(shí)序控制是飛行器正常飛行的前提，時(shí)序控制越準(zhǔn)確，飛行器飛行控制就越準(zhǔn)確。因此時(shí)序控制效果是評(píng)價(jià)綜合控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

2）供電能力

飛行器飛行過程中彈上各設(shè)備及火工品由控制電池和火工品電池進(jìn)行供電。按照設(shè)計(jì)要求，電池電壓必須滿足一定輸出條件，電壓過高或過低都會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行。因此供電能力是評(píng)價(jià)綜合控制系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

3）配電控制

由電池輸出的一次電源必須由配電系統(tǒng)進(jìn)行處理輸出各種不同大小的二次電壓，以滿足不同設(shè)備需求。而二次電壓也要滿足設(shè)計(jì)條件，因此配電控制是評(píng)價(jià)綜合控制系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

根據(jù)上述分析得到飛行器飛行控制性能評(píng)估指標(biāo)體系，如圖1～圖3所示。

3 屬性層次模型法

在多指標(biāo)綜合評(píng)估中，指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)的單項(xiàng)值是影響合成結(jié)果的重要因素，在單項(xiàng)指標(biāo)值已經(jīng)確定的情況下，權(quán)重的改變無疑會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的變化。因此在對(duì)指標(biāo)進(jìn)行綜合時(shí)，首先也是最為重要的工作是對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，賦權(quán)是否科學(xué)、合理，直接影響到最終評(píng)估結(jié)果的可信度和可靠性。

指標(biāo)賦權(quán)方法的選擇是評(píng)估過程中非常重要且不可或缺的一環(huán)。由于飛行控制性能評(píng)估可以建立層次化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，每層的指標(biāo)因素之間相對(duì)獨(dú)立，并且每層相互比較指標(biāo)在九個(gè)以內(nèi)，綜合方法的適用性與計(jì)算易行性，多方面特點(diǎn)符合計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單的屬性層次模型（Attribute Hierarchical Method，AHM）法，因此本文采用AHM方法對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。下面首先對(duì)AHM方法進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。

3.1AHM評(píng)判模型

AHM方法通過兩兩比較的方法得到指標(biāo)的權(quán)重值，并基于一種稱為球賽模型的方法來進(jìn)行兩兩重要性比較［17～21］。

設(shè)元素u1，u2，…，un為n個(gè)球隊(duì)，每?jī)蓚€(gè)球隊(duì)進(jìn)行1場(chǎng)比賽，每場(chǎng)比賽為1分。ui和uj比賽(i≠j)。ui得分μij，uj得分μji，準(zhǔn)則C為得分。問題：已知A=(uij)n×n，1≤i，j≤n，在準(zhǔn)則C下對(duì)元素進(jìn)行排序，即按得分多少對(duì)元素進(jìn)行排序。

3.2 構(gòu)造權(quán)向量

上述模型中，μij滿足

滿足上式的μ稱為相對(duì)屬性測(cè)度，矩陣A稱為屬性判斷矩陣。如果μij＞μji，則稱μij比μji強(qiáng)，記為μi＞μj。所屬性判斷矩陣A滿足當(dāng)μi＞μj，μj＞μk時(shí)，有μi＞μk，則稱(μij)具有一致性。對(duì)屬性判斷矩陣一致性檢驗(yàn)方法如下：

注：Ii非空是指對(duì)給定的i，至少存在一個(gè)j使μij＞0.5，即ui比uj強(qiáng)。所以Ii非空是指ui不是最小者。

ui的得分為為屬性

其中

3.3 求解屬性判斷矩陣

AHM中的屬性判斷矩陣A=() μijn×n通常很難求出，可由層次分析法［2］中的比較判斷矩陣B=() aijn×n中導(dǎo)出，轉(zhuǎn)換公式為

其中k為大于2的正整數(shù)，β通常取1或2。

4 飛行控制性能評(píng)估綜合計(jì)算

4.1 指標(biāo)權(quán)重確定

首先利用AHM方法確定制導(dǎo)系統(tǒng)、姿控系統(tǒng)以及綜合控制系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重，如表1～表3所示。

表1 制導(dǎo)系統(tǒng)指標(biāo)判斷矩陣

表2 姿控系統(tǒng)指標(biāo)判斷矩陣

表3 綜合控制系統(tǒng)指標(biāo)判斷矩陣

4.2 綜合計(jì)算及結(jié)果分析

通過上一節(jié)得到的各層指標(biāo)的權(quán)重向量，自下向上逐層進(jìn)行加權(quán)綜合計(jì)算，最終得到評(píng)估結(jié)果，如表4～表6所示。

表4 制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果表

表5 姿控系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果表

表6 綜合控制系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果表

從評(píng)估結(jié)果看，制導(dǎo)系統(tǒng)性能評(píng)估分值為80.28，性能良好。通過2級(jí)指標(biāo)分值可以看出，精度約束指標(biāo)的分值相對(duì)較低，說明落點(diǎn)精度偏差較大；指令平穩(wěn)度指標(biāo)分值較高，過程約束指標(biāo)和控制量約束指標(biāo)均達(dá)到良好，說明飛行器的控制能力較強(qiáng)。姿控系統(tǒng)性能評(píng)估分值為87.03，性能良好。通過2級(jí)指標(biāo)分值可以看出，動(dòng)態(tài)品質(zhì)性能良好，適應(yīng)性和跟蹤能力性能優(yōu)秀，說明飛行器的飛行穩(wěn)定性和抗干擾能力較強(qiáng)。綜合控制系統(tǒng)性能評(píng)估分值為96.44，說明飛行器在時(shí)序控制、彈上測(cè)量、供配電方面性能優(yōu)秀。

5 結(jié)語

綜合評(píng)估方法可以為復(fù)雜的飛行器性能評(píng)估建立層次分明的指標(biāo)體系，并把系統(tǒng)性能分解為可計(jì)算的量化指標(biāo)。而AHM方法可以確定指標(biāo)體系各指標(biāo)間的從屬和相對(duì)關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)性能評(píng)估分值。

從本文工作可以看出，建立正確的指標(biāo)體系以及各指標(biāo)間合理的權(quán)重分配是綜合評(píng)估方法的關(guān)鍵。飛行器飛行控制性能評(píng)估結(jié)果看，總體的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際較為相符，很好地反映了飛行器的工作性能，綜合評(píng)估方法的有效性和合理性得到了驗(yàn)證。

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Research on Performance Evaluation Methods of Vehicle Flight Control

LI JinghaoLIU XuesongFENG Yunhui
（No.91550 Troops of PLA，Dalian116023）

On purpose of tactical performance examination，the performance of vehicle flight control is evaluated by the method of comprehensive evaluation in this paper.Firstly，the performance evaluation of vehicle flight control is divided into guidance system，attitude control system and comprehensive control system three parts to set up the index system of performance evaluation. Then，the Attribute Hierarchical Model is used to define the weights of indexes.Finally，the performance evaluation score is calculated with the data of flight test and simulation.By the work of this paper，the validity and applicability of conprehensive evaluation is verified，and it will be a good reference in the research of tactical performance examination and control system assessment of vehicle.

performance of vehicle flight control，comprehensive evaluation，index system，attribute hierarchical model

V249

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.010

2016年12月9日，

2017年1月24日

李京浩，男，博士，工程師，研究方向：飛行器控制系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定。