导弹三通道俯仰控制回路的数字化技术研究

2011-07-16 07:36诸毓武

指挥控制与仿真 2011年4期

姚勤，诸毓武，吴宇

（海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 200233）

导弹控制系统是根据制导指令正确而快速地操纵导弹飞向目标，因此对系统的控制精度和快速响应性都有较高的要求。以往的控制系统大多采用模拟电路，其主要缺点是缺乏灵活性。由于控制方案必须由模拟硬件来完成，且控制功能、控制规律必须与硬件一一对应，因此改变控制方案就必须更换模拟硬件。同时，分离器件的大量使用，也导致了系统可靠性降低。许多器件由于材料本身的稀缺和陆续停产使得生产成本提高、生产管理难度大，给批量生产调试及维修带来越来越多的问题。用数字技术构成的驾驶仪系统取代原来的由模拟硬件组成的系统，情况就会大大改观[1]。

一般而言，数字化设计方法有两种：一种是模拟化设计方法，即在一定的条件下近似地把它看成模拟系统，用连续变化的模拟系统分析工具进行动态分析和设计，将整个回路当成连续系统在连续域内进行设计，然后把得到的连续控制算法变换为离散算法在计算机上加以实现；另一种是离散化设计方法，将系统经过适当变换将其变成“纯粹”的离散系统，用Z变换等工具进行分析和设计，直接得出由计算机实现的离散算法[2]。

模拟化设计方法理论很成熟，设计过程比较简单，在工程实际中被广泛的应用[3]。本文针对三通道控制系统俯仰回路的典型结构，采用模拟化设计方法，实现了系统的数字化改进。

1 模拟控制电路结构

俯仰回路采用非线性继电控制，由两条回路组成。其内回路通过导弹姿态角速度形成，称阻尼回路，外回路通过导弹加速度形成，称加速度反馈回路。图1为控制系统俯仰回路的系统组成框图。

图1 俯仰回路组成框图

其中校正网络原理图如图2所示；双T网络电原理图如图3所示。

从图中可以看出电路中使用了大量的分离器件，且不少控制器中都含有各种形式的模拟积分器，天然地存在积分漂移等缺陷，即便对阻容器件和运放提出很高乃至很苛刻的要求，也常常很难克服这些问题。

作为模拟式控制回路核心部分的校正网络，大多采用阻容器件及运算放大器组成，其中的电阻R1、R3、R4、R5和电容C6、C7为关键器件，对网络的参数影响较大,精度等级在2%乃至更高。在不灵敏继电特性实现的双T网络电路中，由于继电器特性对系统全通道的控制有所影响，因此在选用电阻时需提出很苛刻的要求。

图2 校正网络电原理图

图3 双T网络电原理图

2 数字化改进设计关键技术

模拟化设计的过程是先将控制系统作为连续系统进行设计和分析，得到控制算法和控制参数，而后对控制器进行离散化。因此，其关键技术包括硬件,控制算法及采样周期的选择。

2.1 硬件的选择

综合目前的模拟控制器的技术指标和各种边界条件，使用单片机）完成相关的校正网络、滤波处理及带不灵敏区的继电特性的产生，采用如图4所示的数字化控制电路结构对系统进行数字化设计。其核心部件为16位M8797BH单片机，在12HZ晶振下，有较强的I/O能力和比较齐全的指令系统。它通过8路模数转换器直接对自动驾驶仪多路可测量控制信号进行访问和转换，在采样操作周期内刷新一次输给执行机构的控制命令。由于完成控制量全部采样操作所用的时间，只占一个控制步时间的30%，所以有足够的时间可提供驾驶仪系统增加新功能的操作。控制应用程序只占硬件EPROM的36%，数据、变量占硬件设计RAM的62%，尚留有足够的未用存储空间，以满足驾驶仪系统进一步性能改善和增加系统其它功能的需要。

图4 数字电路结构图

2.2 控制算法的选择

目前有多种方法可将连续域内的控制算法近似变换为离散算法。比较来看，双线性变换可以有效地保护离散化后系统的稳定性。

将模拟控制器的传递函数△(σ)转换成微分方程，再用差分方程近似该微分方程，最后求得ζ传递函数，将连续域内的△(σ)转换成离散域的△(ζ)，即

其转换关系为

或

校正网络传递函数为

采用双线性变换，采样周期取0.5ms,对应的离散传递函数为：

双T网络是一个二阶环节，使用龙格库塔法是不行的，主要是该环节相对是一个高速的网络，使用龙格库塔法很容易产生溢出，只能采用离散的计算方法产生一个IIR数字滤波器。

其它一阶滤波器的处理和继电特性传递函数，可以按照离散计算法完成相关的运算。

2.3 数字系统采样周期的确定

在离散系统中，采样周期是关键参数之一，选择时主要考虑经济性；系统频率、频带的影响及计算机字长的约束等因素，根据对象特征、动态性能要求、弹上计算机速度等实际情况合理选择。T选得大，对系统的动态性能不利，甚至会导致系统不稳定；T选的小，对系统的动态性能有利，但要加重计算机的运算负担。为确保系统的性能，选用采样周期为2ms。完整的俯仰回路系统仿真模型如图5所示。