劉宗源，高敏，王毅，吳漢洲

(陸軍工程大學(xué)，河北 石家莊 050003)

0 引言

二維彈道修正引信能夠有效減小彈藥落點(diǎn)誤差，大幅提高彈藥精確打擊效能。引信鴨舵由兩對(duì)偏角可調(diào)的舵片組成：其中一對(duì)偏角相反，稱為差動(dòng)舵，能夠?qū)⒏咚傩D(zhuǎn)的引信制動(dòng)，并穩(wěn)定在需要的滾轉(zhuǎn)角。另一對(duì)偏角相同，稱為聯(lián)動(dòng)舵，通過舵片產(chǎn)生所需的氣動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)彈道修正的功能。由于初始無控狀態(tài)下，引信處于高旋狀態(tài)，無法進(jìn)行彈道修正過程。因此，首先利用差動(dòng)舵進(jìn)行引信的滾轉(zhuǎn)制動(dòng)，使其相對(duì)大地靜止，隨后再向聯(lián)動(dòng)舵發(fā)出偏轉(zhuǎn)指令。將高速旋轉(zhuǎn)的引信快速、精準(zhǔn)地制動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)彈道修正的關(guān)鍵，滾轉(zhuǎn)控制算法的性能直接決定了彈道修正的效率。

新型二維彈道修正引信，不同于PGK(precision guidance kit)類型的固定鴨舵利用磁力矩電機(jī)制動(dòng)原理，利用舵片的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩，簡化了引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前的引信控制算法大多是基于固定舵的，并且國外資源較少。出于技術(shù)保密的緣故，國外文獻(xiàn)[1-2]并未對(duì)控制算法進(jìn)行深入介紹。國內(nèi)高銘澤針對(duì)固定舵提出了一種引信滾轉(zhuǎn)角控制算法，能夠在1s內(nèi)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角的控制，誤差均值為3°左右[3]。王潮敏研究了差動(dòng)舵的氣動(dòng)力與舵偏角的關(guān)系，提出了計(jì)算控制滾轉(zhuǎn)角所需氣動(dòng)力的方法，但是響應(yīng)速度較慢[4]。本文根據(jù)新型修正引信的參數(shù)指標(biāo)，針對(duì)快速性和準(zhǔn)確性，提出了一種基于專家系統(tǒng)PID的滾轉(zhuǎn)角控制算法。

1 引信受力分析

彈體和二維彈道修正引信通過軸承連接，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速隔離。炮彈出炮口時(shí)，彈體高速右旋(從彈尾方向看)。飛行過程中，啟控前，由于差動(dòng)舵具有初始偏角，引信以較低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，并逐漸趨于勻速。啟控后，安裝在引信上的差動(dòng)舵首先作用，將引信制動(dòng)在需要的滾轉(zhuǎn)位置，隨后通過聯(lián)動(dòng)舵實(shí)現(xiàn)彈道修正的目的[5]。在飛行過程中，導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩、軸承摩擦力矩、滾轉(zhuǎn)阻尼力矩都會(huì)對(duì)引信的滾轉(zhuǎn)狀態(tài)產(chǎn)生影響。

1.1 導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩

導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩是改變引信滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的主導(dǎo)因素，方向與引信轉(zhuǎn)速方向相反。調(diào)節(jié)舵機(jī)的偏角就可以產(chǎn)生所需力矩，屬于可控因素。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)基本知識(shí)[6-8]，導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算公式為(右旋為正)

(1)

圖1 全彈道導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩隨舵偏角變化曲線Fig.1 Curves of the full trajectory Md with the rudder angle

1.2 軸承摩擦力矩

作為隔轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，軸承能夠起到一定的減旋的作用。引信與彈體采用軸承連接，當(dāng)二者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速差異將帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)。盡管軸承經(jīng)過潤滑處理，并盡量保證加工生產(chǎn)的質(zhì)量，但其由載荷產(chǎn)生的摩擦力矩仍不可忽略。由于引信的轉(zhuǎn)速始終小于彈體轉(zhuǎn)速，并且方向與彈體轉(zhuǎn)速相反。因此，軸承摩擦力矩的方向是固定的，從彈尾看為順時(shí)針方向。軸承摩擦力矩在全彈道過程中的變化如圖2所示。

軸承摩擦力矩計(jì)算公式：

圖2 全彈道軸承摩擦力矩變化曲線Fig.2 Curves of the full trajectory Mb

(2)

式中：μ1為載荷系數(shù);P1為等效載荷;dm為軸承平均直徑;μ0為潤滑系數(shù);υ為潤滑粘度;Δn為引信與彈體轉(zhuǎn)速差。

1.3 極阻尼力矩

由于空氣具有黏性，當(dāng)引信轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)與周圍空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)接近其表面的空氣隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，使其轉(zhuǎn)速逐漸下降。這種阻礙引信轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩就是極阻尼力矩，方向與引信旋轉(zhuǎn)方向相反。極阻尼力矩的大小主要由引信轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，計(jì)算公式為

(3)

力矩系數(shù)導(dǎo)數(shù)為

(4)

式中：ρ為空氣密度;v為彈丸空速;S為引信參考面積;l為特征長度;d為引信直徑;n1為引信轉(zhuǎn)速;cxf為彈體摩擦阻力系數(shù)。根據(jù)計(jì)算公式，極阻尼力矩的變化如圖3所示。

圖3 全彈道極阻尼力矩變化曲線Fig.3 Curves of the full trajectory Mxz

2 滾轉(zhuǎn)角專家系統(tǒng)PID控制算法

二維修正引信的滾轉(zhuǎn)角控制，本質(zhì)就是對(duì)滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行準(zhǔn)確定位以實(shí)現(xiàn)所需的彈道修正功能[9-13]?？刂扑惴ǖ墓δ苁歉鶕?jù)目前的滾轉(zhuǎn)狀態(tài)，計(jì)算出準(zhǔn)確定位所需的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩，并向舵機(jī)發(fā)出控制指令，完成引信的減旋、定位的控制目的[14]。所以，滾轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制回路中，將當(dāng)前的滾轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速作為輸入，算法解算后的結(jié)果作為舵機(jī)偏轉(zhuǎn)指令，舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)控制滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。根據(jù)這個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立如下的滾轉(zhuǎn)角控制閉環(huán)回路,如圖4所示。

圖4 引信滾轉(zhuǎn)角控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Fuze roll angle control structure

PID控制算法屬于最經(jīng)典的控制方法，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將目標(biāo)值與反饋值的偏差通過比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)的運(yùn)算，再將得到的控制量傳遞給動(dòng)作機(jī)構(gòu)，從而趨近目標(biāo)控制信號(hào)。其中，比例環(huán)節(jié)的作用是快速響應(yīng)偏差的變化，迅速進(jìn)行信號(hào)的調(diào)整。但是過大的比例系數(shù)會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量大，系統(tǒng)振蕩加劇。積分環(huán)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，減小波動(dòng)，使系統(tǒng)的響應(yīng)準(zhǔn)確地維持在目標(biāo)數(shù)值。微分環(huán)節(jié)可理解為將偏差信號(hào)求導(dǎo)，以此判斷出偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，快速調(diào)整控制信號(hào)。尤其輸入信號(hào)是變量時(shí)，微分環(huán)節(jié)能夠提前消除偏差，減小響應(yīng)時(shí)間[15]。

PID控制算法計(jì)算公式：

(5)

式中：e為偏差信號(hào)；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

PID控制算法的核心是根據(jù)既定的控制系統(tǒng)，選擇合適的比例、微分、積分系數(shù)。但是，當(dāng)輸入信號(hào)持續(xù)非線性變化時(shí)，固定參數(shù)的PID算法并不能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)。因此，對(duì)PID算法的參數(shù)整定成為目前最熱門研究課題，相繼提出了實(shí)驗(yàn)湊試、模糊控制、遺傳算法、滑膜變結(jié)構(gòu)、專家系統(tǒng)等參數(shù)整定算法。其中，專家系統(tǒng)作為一種智能控制算法，屬于人工智能的范疇，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的發(fā)展前景。由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、便于操作，非常適宜對(duì)本文的PID算法進(jìn)行參數(shù)在線自整定，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 專家PID控制算法結(jié)構(gòu)Fig.5 Expert PID control algorithm structure

專家系統(tǒng)PID算法：

(1) 當(dāng)偏差信號(hào)|e|>N1時(shí)，表明輸出信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)偏差很大。此時(shí)應(yīng)快速調(diào)整輸出，增大比例系數(shù)。kp(t)=1.7kp；kp,ki,kd為初始設(shè)置的參數(shù)，N1,N2為不同閾值，且N1?N2。

(2) 當(dāng)偏差信號(hào)|e|

若ede>0且|e|>N2說明輸出具有發(fā)散的趨勢(shì)，或誤差為一定值。此時(shí)，應(yīng)增大比例和微分系數(shù)，迅速減小偏差并控制誤差的變化趨勢(shì)，使其向著誤差減小的方向變化。kp(t)=1.2kp，kd(t)=1.1kd。

若ede<0，|e|>N2說明輸出正在向目標(biāo)信號(hào)靠近，即誤差向著絕對(duì)值減小的方向發(fā)展，但偏差絕對(duì)值仍不理想。應(yīng)穩(wěn)定比例系數(shù)，引入微分環(huán)節(jié)。kp(t)=kp，kd(t)=1.1kd。

(3) 當(dāng)偏差信號(hào)|e|

(4) 其余情況，說明其誤差值在容許范圍內(nèi)，或即將到達(dá)理想穩(wěn)態(tài)，因此，穩(wěn)定3個(gè)參數(shù)不變，保持初始設(shè)定值。

3 仿真模型及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制算法的性能，在Simulink環(huán)境下搭建了滾轉(zhuǎn)角計(jì)算模型以及算法模型,如圖6所示。

滾轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)模型：

(6)

修正引信滾轉(zhuǎn)角γ的計(jì)算步驟為：

(1) 通過作用在引信的合力距，計(jì)算得到引信滾轉(zhuǎn)角加速度α;

(2) 將角加速度積分，加上初始的引信轉(zhuǎn)速，得到當(dāng)前的引信轉(zhuǎn)速ω;

(3) 最后將轉(zhuǎn)速積分，將積分結(jié)果與初始位置加和，并將加和與2π取余，得到當(dāng)前引信的滾轉(zhuǎn)角。

滾轉(zhuǎn)角算法仿真模型如圖6所示，位置環(huán)利用自建的Function模塊進(jìn)行PID參數(shù)的整定。專家系統(tǒng)PID模塊的輸入為偏差及其微分，輸出為kp,ki,kd，實(shí)現(xiàn)PID控制器參數(shù)在線自整定，提高了位置環(huán)的控制性能。由于速度環(huán)的作用是快速將轉(zhuǎn)速降為0，功能固定，為了保證運(yùn)算速度，所以速度環(huán)采用軟件自帶的PID模塊。

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制算法，設(shè)置引信目標(biāo)滾轉(zhuǎn)角分別為20°,40°,60°，引信初始轉(zhuǎn)速30 r/s，初始滾轉(zhuǎn)位置為0°，以控制信號(hào)產(chǎn)生作為仿真開始時(shí)刻。仿真結(jié)果如圖7,8,9所示。根據(jù)傳統(tǒng)PID控制與專家PID控制的輸出對(duì)比，可以看到引信的滾轉(zhuǎn)角能夠0.3 s內(nèi)制動(dòng)到目標(biāo)位置，穩(wěn)態(tài)誤差3°左右，在響應(yīng)速度、控制精度方面都優(yōu)于傳統(tǒng)PID。因此，本文設(shè)計(jì)的控制算法滿足二維彈道引信的制動(dòng)方案的全部指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制滾轉(zhuǎn)角的目的。

圖6 算法仿真模型Fig.6 Algorithm simulation model

圖7 2種算法20°控制效果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of 20° control effectwith two algorithms

圖8 2種算法40°控制效果對(duì)比圖Fig.8 Comparison of 40° controleffect with two algorithms

圖9 2種算法60°控制效果對(duì)比圖Fig.9 Comparison of 60° control effect with two algorithms

4 結(jié)束語

本文提出了一種二維彈道修正引信滾轉(zhuǎn)角的控制算法，利用引信目標(biāo)滾轉(zhuǎn)位置與實(shí)際位置的偏差，產(chǎn)生需要的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩，完成引信的減旋和定位。針對(duì)傳統(tǒng)PID算法跟蹤非線性變化信號(hào)能力不足的問題，提出利用專家系統(tǒng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，針對(duì)偏差信號(hào)及其變化趨勢(shì)，適量調(diào)整PID參數(shù)。仿真結(jié)果表明，建立的專家系統(tǒng)PID控制算法能夠較好地實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的整定和自適應(yīng)，引信的滾轉(zhuǎn)角定位時(shí)間在0.3 s以內(nèi)，精度能達(dá)到3°左右，符合引信滾轉(zhuǎn)角的控制指標(biāo)。目前，針對(duì)可控滾轉(zhuǎn)引信的滾轉(zhuǎn)角控制大多仍為PID控制算法，采用本文提出的專家PID控制算法，將大幅提高響應(yīng)速度和控制精度。