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

隨著電子技術的快速發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)場環(huán)境日趨復雜,各種干擾技術層出不窮,采用傳統(tǒng)單一的制導模式的導引頭極容易被干擾影響,導致智能彈藥的作戰(zhàn)效能下降,而復合制導技術可以有效的克服這一缺點,更好的應對戰(zhàn)場環(huán)境[1]。存在的問題是,雖然采用了復合制導技術的平臺式導引頭可以通過使用不同模式的感知系統(tǒng)探測目標的不同特征,從根本上加強了抗干擾能力,但是這樣為平臺式雙?；蚨嗄秃蠈б^的伺服控制系統(tǒng)帶來了其他問題。例如文中平臺式可見光和紅外復合制導導引頭在不同的工作模式下,會因探測器分辨率、視場角及光學系統(tǒng)設計指標的不同,導致兩種模式輸出的跟蹤偏差信息存在較大差別,此時繼續(xù)使用常規(guī)的PID控制方法已經(jīng)不能同時滿足可見光和紅外復合導引頭的控制精度和動態(tài)性能。而采用“變參數(shù)”PID控制方案可以根據(jù)不同的制導模式,實時變換控制參數(shù),從而更好地適應由于模式切換導致的“位置環(huán)”輸入偏差變化,進而能夠輸出穩(wěn)定的視線角速度信息,滿足整彈應用要求。

1 導引頭伺服系統(tǒng)建模

1.1 伺服系統(tǒng)工作原理

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

圖1 導引頭伺服系統(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)的作用是控制電機轉矩,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)進行速度和位置控制的同時,系統(tǒng)也在進行電流/轉矩的控制以達到對速度和位置的相應控制。電流環(huán)減小了元件參數(shù)不穩(wěn)定對系統(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測的速度差值,如果速度環(huán)參數(shù)選擇合理,與電流環(huán)配合良好,就可以形成一個性能較好的穩(wěn)定平臺,使被控載體在慣性空間保持穩(wěn)定,隔離彈體擾動對導引頭伺服系統(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)輸入所期望到達的運動位置。

整個導引頭伺服系統(tǒng)的工作流程為:導彈在上電后,導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;在導彈發(fā)射后,切換控制回路至“搜索模式”,此時導引頭接收來自“搜索回路”的“速度指令”,見圖1中的“速率指令”,實時控制光軸的指向,搜索攻擊目標,這樣做的好處是利用導引頭穩(wěn)定平臺使光軸隔離了彈體擾動帶來的影響,回傳至地面的圖像信息穩(wěn)定、清晰;一旦導引頭鎖定攻擊目標,導引頭切換至“跟蹤回路”,此時“位置環(huán)”的輸入為“跟蹤偏差信息”,導引頭光學系統(tǒng)對目標進行穩(wěn)定跟蹤,并輸出視線角速度至彈上計算機,引導導彈命中目標。

文中電視和紅外雙模導引頭主要由共口徑光學系統(tǒng)、伺服驅動系統(tǒng)、圖像跟蹤系統(tǒng)等構成。其中伺服驅動系統(tǒng)包含電機、角度傳感器、速度傳感器、軸承、配重零件以及導線等,系統(tǒng)較為復雜,準確建立整個系統(tǒng)的模型數(shù)學模型十分困難,文中主要對雙模導引頭跟蹤回路的控制方法進行研究和仿真,主要建立導引頭的跟蹤回路模型。

1.2 跟蹤回路建模

導引頭的穩(wěn)定平臺可以同時在方位和俯仰兩個方向進行運動,因為負載和干擾力矩存在差異,一般情況下這兩個回路的控制參數(shù)也是不同的,但其控制原理和方法是一致的,因此以導引頭框架的“內(nèi)環(huán)”進行仿真和建模。

1.2.1 功率放大電路模型

功率放大電路是控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié),其輸出的控制信號隨輸入的PWM信號占空比變化,因為功率放大電路特性,輸入和輸出存在一個最大可達一個開關周期的延遲,因此,在建立PWM功放數(shù)學模型時,將其作為一階之后環(huán)節(jié)進行處理,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)看做一個一階比例環(huán)節(jié):

綜上分析,功率放大電路的數(shù)學模型可簡化為Ks。

1.2.2 力矩電機模型

力矩電機的電壓平衡方程為[6]:

(2)

電磁轉矩計算公式為:

Mm=CmIa

(3)

轉矩平衡方程為:

(4)

式中:Ce為反電動系數(shù);Cm為電機轉矩;La、Ra為電樞電感和電樞電阻;Ia為電樞電流;ω為電機轉速;J為電子轉子上的總轉動慣量。

綜上分析,力矩電機和負載的數(shù)學模型如圖2所示。

圖2 力矩電機模型框圖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系,其數(shù)學模型為:

(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)仿真對比

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

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聯(lián),在工程應用中,一般需要設置PID參數(shù)的基礎值及變參數(shù)的可調(diào)節(jié)范圍,其實質是一種自適應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曲線。

圖6 1°階躍響應Fig.6 Step response of 1°

圖7 3°階躍響應Fig.7 Step response of 3°

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

作者團隊在進行可見光和紅外復合制導導引頭控制系統(tǒng)的設計、測試過程中,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控制規(guī)律的重要信息,如果使用常規(guī)PID控制,在工程實際應用中可能會出現(xiàn)使用雙模制導導引頭的可見光模式或紅外模式對同一運動目標進行跟蹤時,伺服系統(tǒng)會顧此失彼,無法同時滿足雙模復合制導導引頭的技術指標要求,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)會根據(jù)不同的輸入實時調(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系統(tǒng)中的出現(xiàn)問題。

3 結論

為了解決可見光和紅外復合制導導引頭在不同的工作模式下,因探測器分辨率、視場角及光學設計指標的不同,導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無法同時滿足兩種模式的跟蹤計數(shù)指標要求,文中提出了變參數(shù)復合導引頭PID控制方案,建立了兩種控制方法的跟蹤回路控制模型,進行仿真驗證和分析。結果表明:采用變參數(shù)復合導引頭PID控制方案能提升復合導引頭動態(tài)性能,減小跟蹤誤差。