基于變結構控制的反魚雷魚雷導引律設計

劉 洋 , 李宗吉 , 張西勇

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基于變結構控制的反魚雷魚雷導引律設計

劉 洋1, 李宗吉2, 張西勇2

(1. 海軍工程大學 訓練部, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

針對傳統魚雷導引律命中精度低、彈道法向過載大的不足, 設計了基于變結構控制的反魚雷魚雷(ATT)導引律。該導引律以反魚雷魚雷和目標魚雷之間運動關系數學模型為基礎, 建立了以航向角作為控制量, 視線角速度作為滑模面的變結構控制模型, 該模型所需參數少, 且模型參數能夠自適應調整。理論推導和仿真結果表明, 該導引律對模型參數及環境干擾具有很強的魯棒性, 彈道穩定平滑, 具有非常高的命中精度。

反魚雷魚雷; 變結構控制; 導引律; 魯棒性

0 引言

隨著科學技術的發展, 魚雷武器正朝著智能化, 精確制導方向發展, 對水面艦艇以及潛艇構成的威脅越來越大。鑒于此, 世界各國投入巨資開展艦艇反魚雷武器的研究, 其中硬殺傷的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)成為研究的熱點[1-2]。

和常規魚雷相比, ATT因其攻擊目標速度快、目標尺寸小及機動性強, 而具有更高的命中精度。在復雜的水文條件下, 測量誤差和參數攝動以及目標機動的存在, 使得常規魚雷導引律無法滿足ATT的要求, 因此, 需要針對ATT的特點設計相應的導引律。滑模變結構控制對參數攝動和干擾具有強魯棒性, 結合平行接近導引法, 本文設計了一種基于變結構控制的反魚雷魚雷導引律, 仿真結果表明, 該導引律具有很高的命中精度和抗干擾能力。

1 反魚雷魚雷導引問題的數學描述

以平面內情況為例, ATT-魚雷相對運動關系如圖1 所示。由圖1可以導出如下關系式

式中: 代表ATT與魚雷之間的相對距離; 和分別表示目標速率和ATT速率; 表示視線角; 和分別代表目標和ATT的速度方向角。

令

把式(4)~式(7)代入式(2)和式(3), 結合式(1), 得

2 反魚雷魚雷導引律設計

2.1 傳統魚雷導引律及存在的問題

魚雷導引律是魚雷導向目標的運動規律, 對魚雷命中精度起決定性作用。傳統魚雷導引律包括比例導引法、提前角導引法和最優控制導引法。比例導引法要求魚雷旋轉角速率與視線角變化角速率成正比, 理論上比例導引法能夠達到很高的命中精度, 但前提條件是模型參數能夠準確無誤, 在復雜的水文條件下, 由于干擾和噪聲的存在, 以及測量條件的限制, 難免會產生參數攝動和干擾, 而比例導引法的抗干擾能力差, 在工程上無法滿足ATT的精度要求[3-4]。

固定提前角法是比例導引法的特例, 在前半球開始導引時, 要繞到目標的背后, 而ATT恰恰是從前半球攔截, 其精度也不能滿足ATT攔截的需要。最優制導律雖然在理論上可獲得比比例導引更好的性能, 但是由于最優制導律形式復雜, 需要較多的制導參數(這些參數往往需要通過復雜的濾波算法得到, 增加了制導計算量而且難以獲得準確的結果), 并且嚴格依賴所采用的動力學模型, 所以魯棒性較差。

魚雷目標探測裝置很難直接探測到目標的加速度、角加速度等信息, 采用算法進行估計又存在較大誤差, 在導引律中一般作為干擾來處理, 而變結構滑模控制由于具有魯棒性強, 對模型參數變化不敏感等特點。目標和ATT之間的視線角以及目標和ATT的航向角通過聲納裝置很容易確定, 本文通過ATT和目標之間的運動關系數學模型, 設計了基于變結構控制的ATT導引律。

2.2 變結構導引律設計

基于準平行接近原理, 選取切換平面為

根據式(11) , 構造滑模趨近律

將式(11)和式(12)代入式(13), 得滑模制導律

2.3 穩定性分析

把式(14)代入式(16), 得

3 仿真結果與分析

以此為初始條件, 聯立式(1)、式(7)、式(11)、式(14), 建立仿真模型

圖2 ATT和目標魚雷視線角隨時間變化曲線

圖3 ATT和目標魚雷視線角速度隨時間變化曲線

圖4 ATT航向角隨時間變化曲線

圖5 ATT和目標魚雷距離隨時間變化曲線

由仿真結果可以得出, 目標魚雷的機動不影響變結構滑模導引律準確導向目標, 系統進入滑模狀態的時間和命中目標的時間前后相比較基本沒有變化, ATT和目標魚雷的視線角很快收斂到一恒定值。

4 結束語

本文設計了基于變結構的反魚雷魚雷導引律,通過控制ATT的航向角來導向目標魚雷, 并在理論上證明了該導引律能夠使ATT穩定地以準平行接近方式導向目標魚雷, 并對目標魚雷的機動和環境干擾具有很強的魯棒性。

以ATT和目標運動關系數學模型和變結構控制模型為基礎, 建立了在本文所設計的導引律導引下ATT 航行的仿真模型。從仿真結果可以看出, ATT和目標魚雷的視線角很快穩定在一恒定值, 具有零脫靶量和百分之百的命中精度, 當目標魚雷存在機動時, 仍然可以保持這一可貴特性。

該導引律還具有自適應特點, 模型參數隨著ATT和目標距離的變化而變化。另外該導引律所需的參數少, 只需航向角作為控制量, 降低了控制系統復雜度。

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Design of Guidance Law for Anti-torpedo Torpedo Based on Variable Structure Control

LIU Yang1, LI Zong-Ji2, ZHANG Xi-Yong2

(1. Training Department, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the low hitting precision and big normal overload of traditional torpedo guidance law, a guidance law for an anti-torpedo torpedo(ATT) based on variable structure control is designed. This ATT guidance law is on the basis of a mathematical model of movement relation between an ATT and a target torpedo. A variable structure control model is established taking course angle as control parameter and angular speed of line-of-sight as sliding mode surface. The proposed model needs a few parameters, and the parameters can be self-adaptively adjusted. Theoretical analysis and simulation show that the ATT guidance law is very robust for model parameters and environmental interference, and can gain high hitting precision and stable trajectory.

anti-torpedo torpedo (ATT); variable structure control; guidance law; robustness

TJ630.33; TJ765

A

1673-1948(2013)01-0039-04

2012-05-18;

2012-06-29.

船舶工業國防科技預研基金項目資助(401060901-0261-002).

劉洋(1983-), 男, 在讀碩士, 研究方向為魚雷制導與控制技術.

(責任編輯: 楊力軍)