直接侧向力/气动力复合控制影响因素研究

邵雷, 雷虎民, 赵宗宝, 陈星阳

(1.空军工程大学 防空反导学院, 陕西 西安 710051;2.中国空空导弹研究院 制导控制室, 河南 洛阳 471009)

直接侧向力/气动力复合控制影响因素研究

邵雷1, 雷虎民1, 赵宗宝1, 陈星阳2

(1.空军工程大学 防空反导学院, 陕西 西安 710051;2.中国空空导弹研究院 制导控制室, 河南 洛阳 471009)

为分析直接侧向力/气动力复合控制中的影响因素对控制效果的影响,给出了复合控制拦截器的典型布局,建立了直接侧向力/气动力复合控制分配模型;采用自适应动态逆方法形成虚拟控制律实现拦截器姿态控制,并进行了仿真验证与分析。仿真结果表明,不同发动机总数、发动机开关机周期和推力大小等因素对最终控制效果有直接的影响,且发动机开关机周期与推力的共同作用对控制效果影响明显。

直接侧向力; 气动力; 复合控制; 影响因素

0 引言

随着现代战争的发展,空中威胁日益增强。具备高速大机动能力的弹道导弹以及防区外超低空突袭巡航导弹等空袭武器的使用,对空天防御拦截器技术及拦截器制导控制精度提出了更高的要求。拦截器必须具有大的机动能力和较快的响应速度才能满足上述需求,而采用纯气动力控制方式将难以满足这种需求。直接侧向力/气动力复合控制,通过侧喷发动机产生的直接侧向推力和气动力共同作用,形成复合控制力作用于拦截器,快速改变拦截器的姿态和运动轨迹,能够有效提高拦截器快速响应能力和机动能力,进而提高拦截器制导控制精度[1]。因此,直接侧向力/气动力复合控制技术成为各国研究的焦点,对复合控制机制[2-4]、复合控制算法[5-7]以及发动机点火算法[8-9]进行了研究,取得了一定成果。一些学者对发动机特性进行了相关研究[10],但对于脉冲发动机直接力/气动力复合控制影响因素的研究较少。

为深入分析复合控制中直接力相关特性对控制效果的影响,本文通过仿真分析的方法对不同发动机同时开关机数量限制、不同发动机开关机周期和推力大小等因素对控制效果的影响进行了分析。

1 建立仿真模型

1.1 复合控制拦截器布局

本文参考美国NCADE拦截弹,选用正常式x-x形轴对称布局[11],复合控制空射拦截器姿控脉冲发动机布局如图1所示。

图1 复合控制拦截器Fig.1 Compound control interceptor

1.2 复合控制力矩分配模型

利用直接力开启时的瞬态响应能提高系统的响应速度,但产生的直接力的大小不可调,而且由于直

接力与气动力之间存在耦合效应,使得直接力在提高系统响应速度的同时,也可能增大舵偏角和姿态角速度。本文仿真研究中采用基于力矩分配复合控制策略的方式对直接力和气动力进行控制分配:将直接力和气动力总的控制力矩作为虚拟控制量,设计一种复合控制律,得到控制和稳定系统所需要的总控制力矩;再通过非线性动态分配算法实现舵机和脉冲发动机之间的力矩分配,分别驱动舵面的偏转和脉冲发动机的开启,产生控制力矩,从而调整拦截器的姿态达到期望值。基于力矩分解的直接力/气动力复合控制结构如图2所示。

通过上述分配方式的设计可以将复合控制问题转化为虚拟控制,进而采用一定的控制方法进行控制律设计。本文在仿真研究中采用自适应动态逆方法[12]进行虚拟控制律设计。

图2 基于力矩分解的直接力/气动力复合控制结构Fig.2 Side jets/aerodynamic compound control structure based on moment decomposition

2 仿真研究与分析

为分析直接力对控制系统的影响,从系统的跟踪特性出发,对纯气动力控制以及直接力/气动力复合控制进行对比仿真,对不同发动机同时开关机数量限制、不同发动机总数以及不同发动机开关机周期和推力大小等因素对控制效果的影响进行分析。仿真过程中,对各种情况的验证及姿态控制算法均采用自适应动态逆方法形成虚拟控制律:纯气动力虚拟控制指令直接控制舵系统;直接力/气动力复合控制根据虚拟控制指令进行分配得到相关控制量,其中气动力控制舵系统响应时间为τs=0.01 s。仿真过程中,仿真步长均为0.001 s。

2.1 发动机数量对控制性能的影响

仿真过程中,选择力矩分配比例为0.04,单个姿控发动机推力为2 000 N,允许最大同时开关机数量(N)为10个,发动机开关机周期为25 ms,分别针对表1所示情况进行仿真。仿真结果如图3所示。

从图3中可以看出,各种情况控制效果相当,相比之下情况4条件下控制效果最差,其原因是各种情况下针对指令跟踪发动机数量足够。引起不同情况控制效果不一致的根源在于各种情况下发动机分布间隙不同,导致直接力推力控制方向误差不同。由于情况4条件每圈发动机分布过于稀疏,导致直接力推力偏差过大,进而引起控制效果不好。

表1 发动机数量Table 1 The engine number

图3 不同发动机数量仿真结果Fig.3 Simulation results with different engine number

2.2 推力变化对控制性能的影响

选择力矩分配比例为0.04,发动机数量为180个、均匀分布5圈,允许最大同时开关机数量为10个,发动机开关机周期为25 ms,分别针对单个姿控发动机推力为500 N,1 000 N,2 000 N,3000 N等情况进行仿真,仿真结果如图4所示。

从图4中可以看出,推力大小对控制效果的影响较为明显。当推力过小(500 N)时,尽管每次同时开机均达到最大发动机数量限制,但由于推力过小仍然需要反复开机,难以达到较好的控制效果;当推力过大(3 000 N)时,容易产生过推效应,反而达不到较好的控制效果;只有针对拦截器的特性选择合适的推力才能达到相对较好的效果,才能体现直接力控制的特点。

图4 不同推力仿真结果Fig.4 Simulation results with different engine thrust

2.3 发动机开关机时间对控制性能的影响

为了分析直接力/气动力复合控制中不同发动机开关机时间对姿态控制系统控制性能的影响,在不同发动机开关机时间的情况下进行仿真及对比分析。仿真过程中,选择力矩分配比例为0.04,单个姿控发动机推力为2 000 N,发动机数量为180个、均匀分布5圈,允许最大同时开关机数量为10个。分别针对姿控发动机开关机周期为5 ms, 15 ms, 25 ms, 45 ms等情况进行仿真,仿真结果如图5所示。

图5 不同发动机开关机周期仿真结果Fig.5 Simulation results with different engine period

从图5中可以看出,发动机开关机时间对控制效果的影响较为明显,影响方式与推力大小相似。其原因是,由于发动机不连续工作的特点,直接力通过冲量方式作用于拦截器,即作用效果是推力与作用时间的累计。因此，在推力一定的情况下，发动机开关机时间的影响与发动机开关机时间一定的情况下推力的影响是一致的。

3 结束语

本文通过仿真方法研究了直接力/气动力复合控制系统控制性能受直接力控制装置相关特性的影响因素。可以看出,不同发动机总数、不同发动机开关机周期和推力大小等因素对最终控制效果有直接的影响:发动机数量足够的情况下,发动机分布间隙在一定的情况下减小会得到更好的控制效果;但间隙小到一定程度之后,对控制效果的提高不是很明显,因此在实际使用中应该折中选取;由于直接力冲量作用的特点,发动机开关机周期与推力的共同作用对控制效果影响明显,在实际使用过程中,应该结合拦截器本身的特点合理选择,才能得到较好的控制效果。研究结果可为复合控制中直接力控制系统的选择与设计提供一定借鉴。

[1] Rui H,Kocihi S,Shunji M.Autopilot design for a missile with reaction jet using coefficient diagram method[R].AIAA-2001-4162,2001.

[2] 张晨,杨军.防空导弹的复合控制系统设计方案研究[J].计算机仿真,2013,30(9):92-95.

[3] 刘皓,沈毅.敏捷导弹复合控制策略[J].系统工程与电子技术,2011,33(4):874-878.

[4] 解增辉,刘占辰,方洋旺,等.复合控制导弹的优化控制分配研究[J].中北大学学报:自然科学版,2011,32(4):465-469.

[5] 杨文骏,张科,张云璐.导弹的直接力/气动力控制系统设计[J].飞行力学,2012,30(4):349-353.

[6] 朱隆魁,汤国建,余梦伦.防空导弹直接力/气动力复合控制系统设计[J].宇航学报,2008,29(6):1895-1900.

[7] 董朝阳,王枫,高晓颖,等.基于自适应滑模与模糊控制的导弹直接力/气动力复合控制系统优化设计[J].航空学报,2008,29(1):165-169.

[8] 刘鹏云,孙瑞胜,李伟明.复合控制火箭弹脉冲点火算法研究[J].弹道学报,2012,24(4):27-30.

[9] 贾世伟,周军,葛致磊.拦截弹轨控发动机点火时机与分配策略研究[J].计算机仿真,2009,26(3):99-102.

[10] 徐敏,陈士橹.侧向多喷流流场数值研究[J].推进技术,2003,24(2):144-147.

[11] 尹永鑫.气动力/直接力复合控制拦截弹制导与控制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[12] 遆晓光,孔庆霞,余颖.基于自适应动态逆的高超声速飞行器姿态复合控制[J].宇航学报,2013,34(7):955-962.

(编辑：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;

时间:2014-11-04 08:29

航空科学基金资助(20110196005)；学院创新基金资助

邵雷(1982-)，男，湖北天门人，讲师，博士，研究方向为非线性控制、飞行器制导与控制。

TJ765.2

A

1002-0853(2015)01-0057-04