[發明專利]一種直接力氣動力復合控制方法與前向攔截制導方法

有效

• 申請號: 201410230911.3
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN104019701A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 張友安;吳華麗;胡云安;趙國榮;粱勇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空工程學院
• 主分類號: F41H11/02
• 分類號: F41H11/02;F42B15/01
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種直接力氣動力復合控制方法與前向攔截制導方法，其特征在于，該直接力氣動力復合控制方法與前向攔截制導方法包括：

直接力/氣動力復合控制，通過沖量等效法得到實施的直接力控制信號：

在氣動舵控制的基礎上，直接力是連續的并進行控制設計，然后，通過沖量等效法進行離散化處理，得到離散直接力控制；

為加速度指令，K_p為比例系數，K_ω為ω_z反饋系數，氣動舵控制規律取為：

δz=Kp(aIc-aI)+Kωωz---(8)]]>

攔截導彈控制系統采用過載控制，法向加速度a_I和俯仰角速度ω_z易于測量，而攻角α難于測量，利用：

a_I＝V_Ia₄α??????????(9)

將式(6)、式(7)進一步表示為：

a·I=(-a4+a4a5VIKp)aI+VIa4(1-a5Kω)ωz-a4a5VIKpaIc-a4MF---(10)]]>

ω·z=(-a2VIa4+a3Kp)aI-(a3Kω+aI)ωz-a3KpaIc+LJF---(11)]]>

式(6)中令K_jet＝0，式(7)中令M_jet＝0；式(9)只考慮了氣動力產生的過載；

在設計氣動舵控制系統時，即令F＝0，針對不同的特征點，采用經典控制的設計方法即確定相應的K_p、K_ω；

在臨近空間，氣動舵控制系統過載響應較緩慢，因此引入直接力進行復合控制，在氣動舵控制基礎上設計直接力控制的方法；

首先，直接力是連續力F′，與舵控制系統類似，控制規律取為：

F′=KPJ(aIc-aI)+KDJωz---(12)]]>

其中，K_PJ和K_DJ是與K_p、K_ω相對應的比例系數和反饋系數；

將F＝F′代入式(10)、式(11)，得：

a·I=(-a4+a4a5VIKp+a4KPJM)aI+[VIa4(1-a5Kω)-a4KDJM]ωz-(a4a5VIKp+a4KPJM)aIc---(13)]]>

ω·z=(-a2VIa4+a3Kp-LKPJJ)aI-(a3Kω+aI+LKDJJ)ωz+(LKPJJ-a3Kp)aIc---(14)]]>

采用經典控制設計方法類似地確定出K_PJ和K_DJ；

式(12)表示的直接力是連續信號，而實際的直接力是離散脈沖信號，將連續直接力信號F′進行離散化等效處理，得到實施的直接力控制信號F；

控制采樣步長與發動機的工作周期同步，都為T；

首先考慮曲線F′是單調的情況，用F_T表示單個脈沖發動機的推力，則第一個周期所需側噴脈沖發動機的個數n(0)由下式確定：

n(0)＝E[F′(0⁺)/F_T]??????????(15)

其中，E[A]表示取不超過A的整數，若n(0)＝0，表示無需使用側噴發動機；于是，第一個周期的等效直接力F為F＝F_T·n(0)；

由于周期T很小，s₁、s₂、...s_k、...可以用矩形面積來近似代替，即：

s₁＝F′(0⁺)·T

s₂＝F′(T)·T

·

·

·

s_k＝F′[(k-1)T]·T

·

·

·

第一個周期的面積等效處理后剩余的面積s₁-F_T·T·n(0)與第二個周期的面積累加，由下式確定第二個周期所需脈沖發動機的個數n(1)；

n(1)＝E[(s₁+s₂-F_T·T·n(0))/(F_T·T)]???????(16)

于是，第二個周期的等效直接力F為F＝F_T·n(1)；

以后各個周期采用類似的方法進行處理；

其次考慮曲線F′有振蕩的情況，沖量等效的方法與曲線F′是單調的情況一樣，時間軸上方的面積是正的面積，時間軸下方的面積是負的面積，利用式(15)、式(16)求取n(0)、n(1)時會用到取整函數E[A]，如果A＜0，則E[A]相應地變為-E[-A]，表示反方向側噴脈沖發動機；

與曲線F′是單調的情況一樣，還有可能是在時間軸的下方單調上升的情況；同樣，與曲線F′有振蕩的情況類似，也有可能是先負后正有振蕩的情況，利用式(15)、式(16)求取n(0)、n(1)時，如果A＜0，E[A]相應地變為-E[-A]；

綜上，第k個周期發動機側噴的個數n(k-1)可以統一表示為：

其中，S為從0時刻開始到第k個周期曲線F′與時間軸之間的面積，N′為0時刻開始到第k-1個周期之間發動機側噴總個數；

用q表示控制方式切換的閾值，當指令時，按沖量等效法進行側噴，采用直接力與氣動力復合控制；當時，不需要側噴，完全利用氣動舵進行控制；

導引律設計，考慮直接力/氣動力復合控制系統動態的前向攔截導引律；

目標的速度及有關機動信息已知，為了簡化導引律的設計，將攔截導彈和目標的質點運動學與加速度動力學構成的動態系統，看成慢變子系統，將俯仰角速度動態子系統看成快變子系統，通過對俯仰角速度指令的跟蹤控制設計得到考慮直接力/氣動力復合控制系統動態的前向追擊攔截導引律；

先設計慢變子系統：

令

e＝δ-Nθ???????????(18)

定義變量：

u1=τe·+e---(19)]]>

其中，τ為比例系數，反映了當u₁＝0時e→0的快慢程度；

由式(18)知：

e·=δ·-Nθ·---(20)]]>

由式(19)知

u·1=τe··+e·---(21)]]>

其中：

e··=δ··-Nθ··---(22)]]>

由式(2)可得：

θ··=a·TVT-V·λr-VλVrr2---(23)]]>

由式(3)可得：

δ··=a·IVI-V·λr-VλVrr2---(24)]]>

利用式(2)、式(3)、式(13)、式(20)、式(22)—式(24)，式(21)表示為：

u·I=gaωz+fa---(25)]]>

其中：

g_a＝τa₄

fa=(1-τa4)aIVI+τ(N-1)r2(V·λr-VλV+Vλrτ)-NVT(τa·T-aT)]]>

在式(13)代入式(24)時，近似認為

令

u·1=-kau1---(26)]]>

其中，k_a＞0，反映了攔截導彈和目標的質點運動學與加速度慢變子系統構成的動態系統的期望的帶寬；

令式(25)與式(26)相等，即：

gaωzc+fa=-kau1---(27)]]>

可得：

ωzc=-kau1-faga---(28)]]>

用慣性環節對濾波可得及以備快變子系統設計中的式(30)和式(31)使用：

ω·z,desc=1Tm(ωzc-ωz,desc)---(29)]]>

這里T_m為小時間常數；

再設計快變子系統；

定義變量：

u2=ωz-ωz,desc---(30)]]>

則：

u·2=ω·z-ω·z,desc---(31)]]>

式(14)代入式(31)得：

u·2=gbaIc+fb---(32)]]>

其中：

g_b＝K_PJ-a₃K_p

fb=(a3Kp-a2VIa4-KPJ)aI+(KDJ-a3Kω-a1)ωz-ω·z,desc]]>

令

u·2=-kbu2---(33)]]>

其中，k_b＞0，反映了俯仰角速度快變子系統的期望的帶寬；

令式(32)與式(33)相等，考慮直接力/氣動力復合控制系統動態的導引律：

aIc=-kbu2-fbgb---(34)]]>

通過選取參數k_a和k_b，保證ω_z與a_I快慢可分離，取k_b＝(5～10)k_a，這樣，u₂很快衰減到0，即ω_z很快就能跟蹤上隨后u₁衰減到0，進而e也衰減到0，保證δ與θ按比例變化。