直接側向力/氣動力復合控制影響因素研究

邵雷, 雷虎民, 趙宗寶, 陳星陽

(1.空軍工程大學 防空反導學院, 陜西 西安 710051;2.中國空空導彈研究院 制導控制室, 河南 洛陽 471009)

直接側向力/氣動力復合控制影響因素研究

邵雷1, 雷虎民1, 趙宗寶1, 陳星陽2

(1.空軍工程大學 防空反導學院, 陜西 西安 710051;2.中國空空導彈研究院 制導控制室, 河南 洛陽 471009)

為分析直接側向力/氣動力復合控制中的影響因素對控制效果的影響,給出了復合控制攔截器的典型布局,建立了直接側向力/氣動力復合控制分配模型;采用自適應動態逆方法形成虛擬控制律實現攔截器姿態控制,并進行了仿真驗證與分析。仿真結果表明,不同發動機總數、發動機開關機周期和推力大小等因素對最終控制效果有直接的影響,且發動機開關機周期與推力的共同作用對控制效果影響明顯。

直接側向力; 氣動力; 復合控制; 影響因素

0 引言

隨著現代戰爭的發展,空中威脅日益增強。具備高速大機動能力的彈道導彈以及防區外超低空突襲巡航導彈等空襲武器的使用,對空天防御攔截器技術及攔截器制導控制精度提出了更高的要求。攔截器必須具有大的機動能力和較快的響應速度才能滿足上述需求,而采用純氣動力控制方式將難以滿足這種需求。直接側向力/氣動力復合控制,通過側噴發動機產生的直接側向推力和氣動力共同作用,形成復合控制力作用于攔截器,快速改變攔截器的姿態和運動軌跡,能夠有效提高攔截器快速響應能力和機動能力,進而提高攔截器制導控制精度[1]。因此,直接側向力/氣動力復合控制技術成為各國研究的焦點,對復合控制機制[2-4]、復合控制算法[5-7]以及發動機點火算法[8-9]進行了研究,取得了一定成果。一些學者對發動機特性進行了相關研究[10],但對于脈沖發動機直接力/氣動力復合控制影響因素的研究較少。

為深入分析復合控制中直接力相關特性對控制效果的影響,本文通過仿真分析的方法對不同發動機同時開關機數量限制、不同發動機開關機周期和推力大小等因素對控制效果的影響進行了分析。

1 建立仿真模型

1.1 復合控制攔截器布局

本文參考美國NCADE攔截彈,選用正常式x-x形軸對稱布局[11],復合控制空射攔截器姿控脈沖發動機布局如圖1所示。

圖1 復合控制攔截器Fig.1 Compound control interceptor

1.2 復合控制力矩分配模型

利用直接力開啟時的瞬態響應能提高系統的響應速度,但產生的直接力的大小不可調,而且由于直

接力與氣動力之間存在耦合效應,使得直接力在提高系統響應速度的同時,也可能增大舵偏角和姿態角速度。本文仿真研究中采用基于力矩分配復合控制策略的方式對直接力和氣動力進行控制分配:將直接力和氣動力總的控制力矩作為虛擬控制量,設計一種復合控制律,得到控制和穩定系統所需要的總控制力矩;再通過非線性動態分配算法實現舵機和脈沖發動機之間的力矩分配,分別驅動舵面的偏轉和脈沖發動機的開啟,產生控制力矩,從而調整攔截器的姿態達到期望值。基于力矩分解的直接力/氣動力復合控制結構如圖2所示。

通過上述分配方式的設計可以將復合控制問題轉化為虛擬控制,進而采用一定的控制方法進行控制律設計。本文在仿真研究中采用自適應動態逆方法[12]進行虛擬控制律設計。

圖2 基于力矩分解的直接力/氣動力復合控制結構Fig.2 Side jets/aerodynamic compound control structure based on moment decomposition

2 仿真研究與分析

為分析直接力對控制系統的影響,從系統的跟蹤特性出發,對純氣動力控制以及直接力/氣動力復合控制進行對比仿真,對不同發動機同時開關機數量限制、不同發動機總數以及不同發動機開關機周期和推力大小等因素對控制效果的影響進行分析。仿真過程中,對各種情況的驗證及姿態控制算法均采用自適應動態逆方法形成虛擬控制律:純氣動力虛擬控制指令直接控制舵系統;直接力/氣動力復合控制根據虛擬控制指令進行分配得到相關控制量,其中氣動力控制舵系統響應時間為τs=0.01 s。仿真過程中,仿真步長均為0.001 s。

2.1 發動機數量對控制性能的影響

仿真過程中,選擇力矩分配比例為0.04,單個姿控發動機推力為2 000 N,允許最大同時開關機數量(N)為10個,發動機開關機周期為25 ms,分別針對表1所示情況進行仿真。仿真結果如圖3所示。

從圖3中可以看出,各種情況控制效果相當,相比之下情況4條件下控制效果最差,其原因是各種情況下針對指令跟蹤發動機數量足夠。引起不同情況控制效果不一致的根源在于各種情況下發動機分布間隙不同,導致直接力推力控制方向誤差不同。由于情況4條件每圈發動機分布過于稀疏,導致直接力推力偏差過大,進而引起控制效果不好。

表1 發動機數量Table 1 The engine number

圖3 不同發動機數量仿真結果Fig.3 Simulation results with different engine number

2.2 推力變化對控制性能的影響

選擇力矩分配比例為0.04,發動機數量為180個、均勻分布5圈,允許最大同時開關機數量為10個,發動機開關機周期為25 ms,分別針對單個姿控發動機推力為500 N,1 000 N,2 000 N,3000 N等情況進行仿真,仿真結果如圖4所示。

從圖4中可以看出,推力大小對控制效果的影響較為明顯。當推力過小(500 N)時,盡管每次同時開機均達到最大發動機數量限制,但由于推力過小仍然需要反復開機,難以達到較好的控制效果;當推力過大(3 000 N)時,容易產生過推效應,反而達不到較好的控制效果;只有針對攔截器的特性選擇合適的推力才能達到相對較好的效果,才能體現直接力控制的特點。

圖4 不同推力仿真結果Fig.4 Simulation results with different engine thrust

2.3 發動機開關機時間對控制性能的影響

為了分析直接力/氣動力復合控制中不同發動機開關機時間對姿態控制系統控制性能的影響,在不同發動機開關機時間的情況下進行仿真及對比分析。仿真過程中,選擇力矩分配比例為0.04,單個姿控發動機推力為2 000 N,發動機數量為180個、均勻分布5圈,允許最大同時開關機數量為10個。分別針對姿控發動機開關機周期為5 ms, 15 ms, 25 ms, 45 ms等情況進行仿真,仿真結果如圖5所示。

圖5 不同發動機開關機周期仿真結果Fig.5 Simulation results with different engine period

從圖5中可以看出,發動機開關機時間對控制效果的影響較為明顯,影響方式與推力大小相似。其原因是,由于發動機不連續工作的特點,直接力通過沖量方式作用于攔截器,即作用效果是推力與作用時間的累計。因此，在推力一定的情況下，發動機開關機時間的影響與發動機開關機時間一定的情況下推力的影響是一致的。

3 結束語

本文通過仿真方法研究了直接力/氣動力復合控制系統控制性能受直接力控制裝置相關特性的影響因素?？梢钥闯?不同發動機總數、不同發動機開關機周期和推力大小等因素對最終控制效果有直接的影響:發動機數量足夠的情況下,發動機分布間隙在一定的情況下減小會得到更好的控制效果;但間隙小到一定程度之后,對控制效果的提高不是很明顯,因此在實際使用中應該折中選取;由于直接力沖量作用的特點,發動機開關機周期與推力的共同作用對控制效果影響明顯,在實際使用過程中,應該結合攔截器本身的特點合理選擇,才能得到較好的控制效果。研究結果可為復合控制中直接力控制系統的選擇與設計提供一定借鑒。

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(編輯：李怡)

Study on the impact factor of side jets/ aerodynamic compound control

SHAO Lei1, LEI Hu-min1, ZHAO Zong-bao1, CHEN Xing-yang2

(1.Aerial Defense and Antimissile Institute, AFEU, Xi’an 710051, China;2.Department of Guidance and Control, China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

The typical configuration for the compound control interceptor was proposed to analyze the impact factors in the control problem for the side jets/aerodynamic compound control. And the control allocation model for the lateral thrust and the aerodynamic force was constructed. The interceptor attitude control was realized by virtual control law formed with the adaptive dynamic inverse method and was emulated. Simulation results show that the engine number, thrust and the period of the engine directly impact the final control effect, and the combined action of the period of the engine and thrust have obvious influence on control effect.

side jets; aerodynamic force; compound control; impact factor

2014-04-28;

2014-10-16;

時間:2014-11-04 08:29

航空科學基金資助(20110196005)；學院創新基金資助

邵雷(1982-)，男，湖北天門人，講師，博士，研究方向為非線性控制、飛行器制導與控制。

TJ765.2

A

1002-0853(2015)01-0057-04