靶弹平飞高度拓展的设计与实现

王 刚 张 驰 吴建业

(91851部队 葫芦岛 125001)

靶弹平飞高度拓展的设计与实现

王 刚 张 驰 吴建业

(91851部队 葫芦岛 125001)

论文采用加装弹载数字计算机、新型无线电高度表,改变控制通道参数的方式将某型掠海平飞的靶弹改装成能够1000m平飞的靶弹用以模拟飞机类目标。在改装过程中通过改变高度控制通道比例、积分、微分环节传动比,惯性环节时间常数,微分计算步长等方法解决了新型无线电高度表在1000m测高时测高噪声过大对靶弹稳定平飞的影响。最后利用数学模型仿真,验证了论文设计的改装方案可以使靶弹进行1000m平飞。

靶弹; 高度表; PID

Class Number V211

1 引言

靶弹是考核鉴定防空武器防空反导能力的重要靶标[1]。利用退役的飞航式反舰导弹改装靶弹即节约了导弹退役报废费用,又节约了防空导弹用靶费用,是一种经济而有效的靶标开发模式[2～3]。由某型退役反舰导弹改装的靶弹其弹道为20m掠海平飞,为使该型靶弹能够模拟飞机类目标的目标特性,需将靶弹飞行高度进行拓展。本文提出了该型靶弹弹上设备的改装方案,对控制规律进行了改进设计,成功将靶弹飞行高度拓展到1000m,改装成能够模拟飞机类目标的靶标。

2 弹上设备改装

该型靶弹以陀螺、无线电高度表、模拟计算机、俯仰舵机构成靶弹高度控制通道,原理框图如图1所示。该控制通道是以高度表测量的高度、俯仰陀螺测量的俯仰角为输入量,以俯仰舵偏角为输出量的PID高度稳定回路。靶弹飞行时高度表高度与高度程序求差,得到高度差信号。高度差信号作为PID控制的比例环节与高度差积分、安装角在俯仰基准中求和,俯仰基准与高度微分、俯仰角、俯仰角微分环节通过俯仰综合求和后驱动俯仰舵机,进而控制靶弹按照高度程序设定的高度和安装角设定的靶弹攻角稳定平飞。框图中的求差、求和、积分、微分计算过程均由模拟计算机实现。该型靶弹高度程序为20m,高度表测高范围为0m～400m,高度程序和高度表信号均为电压信号。为使靶弹能够进行1000米高度平飞,需要改变高度程序和高度表测高范围。

该型靶弹弹上GPS可以作为靶弹测高传感器,但GPS存在定位不稳定的现象,若单独采用GPS测高数据进行高度控制,当GPS在靶弹飞行中出现失捕时,将会造成靶弹飞行高度偏离预定平飞高度[4]。为使靶弹对高度的测量稳定可靠,选择了新型的无线电高度表,该型高度表测高范围可达0m～2000m。测高结果以数字量形式通过RS422串口输出。由于原靶弹模拟计算机无法接收数字量数据,新型高度表测高结果无法利用模拟计算机直接计算出高度差和高度微分,因此在靶弹上安装了数字化弹载计算机。改装后靶弹俯仰通道控制原理框图如图2所示。数字计算机可以计算生成1000m平飞的高度程序,并通过RS422串口接收新型高度表输出的靶弹高度数据,而后将高度程序与靶弹高度进行比较,计算出高度差数据,同时根据高度数据计算高度微分。数字化计算机计算完高度差和高度微分数据后,通过数模变换输出高度差和高度微分模拟量给原靶弹的模拟计算机,进而控制靶弹在预定高度平飞。

3 控制规律改进设计

通过在靶弹上加装数字计算机和新型高度表可以实现靶弹平飞高度拓展到1000m的功能。无线电高度表主要用于低空高度测量,其测高噪声会随着高度的增加而增大,因此需对靶弹高度控制通道的相关参数进行改进以降低测高噪声的影响[5]。图3是高度表在95m、934m高度的测高结果,其噪声幅度分别为±0.2m、±2.2m,数据更新率为20ms。利用以上数据计算高度差会使计算结果存在与测高结果等幅度的噪声,计算高度微分则会使计算结果噪声放大[6]。图4是高度表934m测高数据以20ms为微分计算步长求出的高度微分结果。由图可见,其噪声幅度已达到±30m/s。

高度差和高度微分信号中过高的噪声会阻塞PID控制通道中的正常信号,造成俯仰舵机只跟随噪声信号摆动,无法响应正常的控制信号[7]。为解决上述问题,对高度控制通道中高度差和高度微分传动比参数进行了更改,增加了高度微分后惯性环节的时间常数值,同时增加了高度微分计算的步长。

图5是靶弹俯仰通道传递函数框图,原靶弹俯仰通道中高度差、高度差积分、高度微分环节在靶弹助推段和平飞段采用不同的传动比。靶弹助推段到转平飞之前,上述三个环节的传动比分别为0.15、0.03、0.3;靶弹转平飞后,传动比变换为0.25、0.05、0.4。靶弹平飞段传动比较平飞段以前均有所增大,这可以使靶弹具有更好的动态响应特性,即当靶弹平飞高度出现偏差时,控制系统能以更快的速度将靶弹调整到预定平飞高度,但同时也放大了对测高噪声的响应[8]。靶弹1000m平飞时,由于高度表噪声较大,过大的传动比将使俯仰舵对噪声响应过大,降低了靶弹飞行的稳定性。为降低靶弹1000m平飞时,高度表噪声对靶弹的影响,改进设计后的靶弹平飞段高度差、高度差积分、高度微分环节的传动比仍采用助推段传动比,即0.15、0.03、0.3。减小平飞段传动比后,靶弹对平飞高度误差的调整控制会变慢,即靶弹平飞高度的误差会变大,但1000m平飞时,对靶弹平飞高度的误差要求较掠海飞行时也会降低,改变传动比带来的高度控制误差在可接受范围内。

采用以上惯性环节时间常数和微分计算步长对934m测高数据计算的高度微分结果如图6所示。计算结果噪声为±0.7m,比图4噪声幅度大幅降低。

4 飞行弹道仿真及验证

为验证改变传动比、微分计算步长、惯性环节时间常数对靶弹1000m平飞的影响,利用数学仿真模型进行了仿真验证。仿真中利用随机产生的高斯白噪声来模拟高度表测高噪声,噪声幅度按飞行高度的±0.4%来生成,略大于高度表测高噪声的统计水平。图7是仿真生成的高度表测高数据,从图中可见靶弹在1000m高度时,测高噪声幅度为±4m。图8是仿真过程中计算的高度微分,经过本文采用的控制模型计算后,高度微分噪声幅度约为±1.3m/s。可见采用本文控制模型能够有效抑制高度表噪声的影响。图9是靶弹仿真的1000m平飞弹道图,靶弹在44.28s时爬升至1000m,63.3s达到最大高度1026.87m,98.5s转平飞至1000m。从图中可见,靶弹转平飞的过程比较缓慢,这是因为改变俯仰通道传动比参数后,靶弹对高度误差的响应变慢。转平飞过程中最大超调为26.87m,相对1000m的高度可以忽略不计。由图中仿真弹道可以证明,本文所设计的控制模型能够控制靶弹完成1000m平飞。

5 结语

为使靶弹能够模拟飞机类目标,本文在掠海飞行的靶弹上加装数字计算机和新型高度表,将该型靶弹改装成1000m平飞的靶弹。并针对工程实施中出现的高度表测高噪声过高的问题提出了改变控制通道参数、微分计算步长、惯性环节时间常数的控制规律改进方案。经数学模型仿真,验证了本文改装方法能够使该型靶弹完成1000m平飞。

[1] 周旦辉.靶弹系统发展的某些新特点[J].现代防御技术,2007,35(2):27-30.

[2] 张团,张国伟,徐立新.低成本中高空超音速靶标弹道优化设计[J].弹箭与制导学报,2010(2):198-200.

[3] 张邦楚,韩子鹏.巡航导弹模拟靶平飞弹道设计[J].弹道学报,2003,15(2):28-34.

[4] 王永刚,王明海.战术弹道导弹飞行环境中GPS卫星可用性探讨[J].战术导弹技术,2000(1):58-62.

[5] 柳爱利,王新龙.滤波方法在反舰导弹高度测量系统中的应用[J].舰船电子工程,2011,3(10):142-145.

[6] 王瑛.自动驾驶仪数字化的设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[7] 陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[8] 孟秀云.导弹制导与控制系统原理[M].北京:北京理工大学出版社,2003.

Design and Realization of Target Missile Trajectory Height Expansion

WANG Gang ZHANG Chi WU Jianye

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

In this paper, a lot of measures are used for the sea skimming flight target missile flying at a height of 1000 meters, such as adding missile used digital computer, replacing new type radio altimeter and changing control channel parameter. This target missile is used to simulate airplane. The stable flight influenced by noise increased above 1000 metres result from the new type radio altimeter is solved by changing the PID control parameter, inertia time constant and differential calculating step. In the end, the methed of the target missile modifying for flying at 1000 meters is proved correct by mathematical simulation.

target missile, altimeter, PID

2016年8月12日,

2016年9月30日

王刚,男,硕士,工程师,研究方向:靶标系统工程。张驰,男,硕士,高级工程师,研究方向:靶标系统工程。吴建业,男,硕士,工程师,研究方向:导弹控制。

V211

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.010