本發(fā)明涉及一種彈藥上舵機的控制系統(tǒng)及方法,具體涉及一種三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù):
執(zhí)行機構(gòu)是彈藥姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要組成部分,尤其是導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要組成部分,由于長時間的儲存引起的性能退化或者在飛行過程中的劇烈震動都有可能引起執(zhí)行機構(gòu)故障,這些故障能夠引起導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能退化,甚至引起飛行姿態(tài)失穩(wěn)而自毀。目前尚無良好的應對措施,主要是通過飛前檢查仿真來杜絕安全隱患,一旦在飛行過程中發(fā)生意外,往往就放棄掉發(fā)生意外的彈藥了,通過數(shù)量來彌補質(zhì)量的不足;容錯控制是提高姿態(tài)控制系統(tǒng)可靠性的重要手段,因此,對導彈執(zhí)行機構(gòu)故障進行容錯控制,以提高導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性是十分必要的。容錯控制的目標是使重構(gòu)后的系統(tǒng)性能盡量接近原系統(tǒng),優(yōu)點是可以充分利用系統(tǒng)中各部件的冗余關(guān)系,實現(xiàn)故障下的最優(yōu)控制。
目前一般彈藥上的執(zhí)行機構(gòu)都包括兩對舵,當其中一對舵無法正常工作時,可以通過控制改變另外一對舵的工作狀態(tài)來彌補可能造成的偏差,使得執(zhí)行機構(gòu)所產(chǎn)出的力矩接近期望值,從而實現(xiàn)容錯控制。
由于上述原因,本發(fā)明人對現(xiàn)有的舵機控制系統(tǒng)及方法做了深入研究,以便設(shè)計出一種能夠解決上述問題的控制系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了克服上述問題,本發(fā)明人進行了銳意研究,設(shè)計出一種容錯控制系統(tǒng),其設(shè)置在低速滾轉(zhuǎn)的末制導彈藥上,所述容錯控制系統(tǒng)用于接收彈藥上的制導指令信息,并根據(jù)該信息控制舵機及其上的舵片工作,進而控制彈藥的運動姿態(tài),其中,所述容錯控制系統(tǒng)包括舵片監(jiān)測模塊,其用于監(jiān)測舵機上舵片的工作狀態(tài),并分析舵片是否能夠正常工作,并根據(jù)其舵片的工作狀態(tài)通知舵機指令計算模塊選用不同的計算方法計算獲得舵機指令,從而對舵機進行控制,即使舵機中的一對舵無法工作,舵機也能基本實現(xiàn)控制作業(yè),使得彈藥能夠基本命中目標,從而完成本發(fā)明。
具體來說,本發(fā)明的目的在于提供以下方面:
(1)一種三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),所述容錯控制系統(tǒng)設(shè)置在低速滾轉(zhuǎn)的末制導彈藥上,所述容錯控制系統(tǒng)用于接收彈藥上的制導指令信息,并根據(jù)該信息控制舵機及其上的舵片工作,進而控制彈藥的運動姿態(tài),其特征在于,該系統(tǒng)包括:
舵片監(jiān)測模塊001,其用于監(jiān)測舵機上舵片的工作狀態(tài),并將舵片的工作狀態(tài)信息傳遞至舵機指令計算模塊002,其中,所述舵片的工作狀態(tài)信息包括舵片工作正常和舵片工作不正常;;
舵機指令計算模塊002,其用于接收制導指令信息和舵片的工作狀態(tài)信息,并根據(jù)接收到的信息計算獲得舵機指令,所述舵機指令包括彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,彈藥上每對舵片的工作角度;
陀螺信號接收模塊003,其用于接收陀螺信號,根據(jù)接收到的陀螺信號計算獲得舵機位置信息和彈體旋轉(zhuǎn)周期信息,并將獲得的舵機位置信息和彈體旋轉(zhuǎn)周期信息傳輸至起控時間計算模塊004;和
起控時間計算模塊004,其用于接收舵機位置信息、彈體旋轉(zhuǎn)周期信息和舵機指令信息,并根據(jù)接收到的信息計算獲得舵機起控時間和工作時間長度。
(2)根據(jù)上述(1)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,當所述舵片監(jiān)測模塊001傳遞出的工作狀態(tài)信息包括舵機上兩對舵片都工作正常時,彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,舵片打舵3次;當所述舵片監(jiān)測模塊001傳遞出的工作狀態(tài)信息包括舵機上的兩對舵片中一對舵片工作正常,另一對舵片工作不正常時,彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,舵片打舵2次。
(3)根據(jù)上述(2)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,所述舵機上的兩對舵片交替打舵工作。
(4)根據(jù)上述(3)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,所述打舵是指任意一對舵片執(zhí)行偏轉(zhuǎn)預設(shè)角度,并在預設(shè)時間后回復原位的工作過程,其中所述預設(shè)角度優(yōu)選為每次打舵的舵片工作角度,所述預設(shè)時間優(yōu)選為每次打舵的工作時間長度。
(5)根據(jù)上述(2)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,當兩對舵片都能正常工作時,舵機指令計算模塊002通過下式(一)、(二)、(三)獲得每次打舵的舵片工作角度,
其中,
(6)根據(jù)上述(5)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,起控時間計算模塊004通過下式(四)、(五)、(六)獲得每次打舵的工作時間長度,
其中,
通過下式(七)、(八)、(九)獲得每次打舵的舵機起控時間;
其中,t1、t1、t1分別表示在彈藥旋轉(zhuǎn)一周的過程中第一次打舵的舵機起控時間、第二次打舵的舵機起控時間和第三次打舵的舵機起控時間;
(7)根據(jù)上述(2)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,當兩對舵片中一對能夠正常工作,另一對不能正常工作時,舵機指令計算模塊002通過下式(十)、(十一)獲得每次打舵的舵片工作角度,
其中,δ有效表示有效的舵偏角指令。
(8)根據(jù)上述(7)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),其特征在于,起控時間計算模塊004通過下式(十二)、(十三)獲得每次打舵的工作時間長度,
通過下式(十四)、(十五)獲得每次打舵的舵機起控時間;
(9)一種三位繼電式舵機的容錯控制方法,其特征在于,該方法是通過如上述(1)~(8)所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)的有益效果在于能夠在一對舵片突然失靈的情況下及時調(diào)整控制方式,而不是按照預定的方式繼續(xù)制導,從而基本能夠通過一對舵機實現(xiàn)兩對舵機的控制作業(yè),不至于因為一對舵片失靈而使得彈藥偏離目標過遠,最終能夠使得彈藥基本命中目標。
附圖說明
圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng)工作流程圖;
圖3示出pwm舵指令示意圖;
圖4示出末制導炮彈后視圖;
圖5示出滾轉(zhuǎn)彈控制力示意圖;
圖6示出目標1g機動時脫靶量;
圖7示出目標2g機動時脫靶量。
附圖標號說明:
001-舵片監(jiān)測模塊
002-舵機指令計算模塊
003-陀螺信號接收模塊
004-起控時間計算模塊
具體實施方式
下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。通過這些說明,本發(fā)明的特點和優(yōu)點將變得更為清楚明確。
在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面,但是除非特別指出,不必按比例繪制附圖。
由于末制導炮彈屬于低速滾轉(zhuǎn)彈,采用雙通道控制的三位繼電式舵機,三位繼電式舵機的脈寬調(diào)制(pwm)指令有三種狀態(tài),分別對應的舵偏角為-δmax、0和δmax。在每個調(diào)制周期的初始時刻,pwm指令系統(tǒng)對模擬指令進行采樣,根據(jù)指令極性和大小計算pwm指令的寬度并生成中心時刻固定極性相同的pwm指令,如圖3所示,pwm周期為tc,其指令中心時刻為τ。0~t1為舵機工作時段,td為pwm指令寬度,由指令系統(tǒng)計算得到,最大pwm寬度為t1;t1~tc為舵機休整時段,該時段長度應大于舵機遲滯時間的兩倍,在此期間舵偏角保持為零;
末制導彈藥采用的繼電式舵機對應于正/負/零的輸入信號,可以輸出+5°/-5°/0°的舵擺角,舵翼的工作狀態(tài)是在舵擺角的三個工作狀態(tài)做往復運動,其在各個工作狀態(tài)所停留時間的長短由制導與控制系統(tǒng)的指令信號控制,從而產(chǎn)生平均控制力以操縱彈藥機動,從而實現(xiàn)了對于彈藥的線性比例控制;其中,具體的控制作業(yè)是通過舵機控制舵片實現(xiàn)的,而當一部分舵片因故無法工作時,舵機需要控制剩余的舵片采用另外的控制方案進行工作,以達到相同或近似的控制效果。
具體來說,如圖1和圖2中所示,根據(jù)本發(fā)明提供的一種三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng),所述容錯控制系統(tǒng)設(shè)置在低速滾轉(zhuǎn)的末制導彈藥上,所述容錯控制系統(tǒng)用于接收彈藥上的制導指令信息,并根據(jù)該信息控制舵機及其上的舵片工作,進而控制彈藥的運動姿態(tài),該系統(tǒng)包括:
舵片監(jiān)測模塊001,其用于監(jiān)測舵機上舵片的工作狀態(tài),并將舵片的工作狀態(tài)信息傳遞至舵機指令計算模塊002,其中,所述舵片的工作狀態(tài)信息包括舵片工作正常和舵片工作不正常;
舵機指令計算模塊002,其用于接收制導指令信息和舵片的工作狀態(tài)信息,并根據(jù)接收到的信息計算獲得舵機指令,所述舵機指令包括彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,彈藥上每對舵片的工作角度;
陀螺信號接收模塊003,其用于接收陀螺信號,根據(jù)接收到的陀螺信號計算獲得舵機位置信息和彈體旋轉(zhuǎn)周期信息,并將獲得的舵機位置信息和彈體旋轉(zhuǎn)周期信息傳輸至起控時間計算模塊004;
起控時間計算模塊004,其用于接收舵機位置信息、彈體旋轉(zhuǎn)周期信息和舵機指令信息,并根據(jù)接收到的信息計算獲得舵機起控時間和工作時間長度。
其中,所述舵片監(jiān)測模塊001包括舵偏角傳感器,其用于檢測舵機的打舵角度,并比較該角度是否正確,并反饋兩種狀態(tài)信息,其一為舵機工作正常,其二是舵機工作不正常,所述舵機工作不正常包括舵機打舵角度不正確和不打舵的情況等。
所述舵機指令計算模塊002接收到的制導指令信息是由彈藥上的控制系統(tǒng)發(fā)出的,所述控制系統(tǒng)通過測量元件獲知彈藥的當前位置信息、速度信息、角度信息及目標位置信息等,并據(jù)此測算出為了命中目標彈藥需要調(diào)整的方向角度,如需要在俯仰方向調(diào)整預定角度,在偏航方向調(diào)整預定角度,所述制導指令信息即包括所述需要調(diào)整的方向角度。
在一個優(yōu)選的實施方式中,當所述舵片監(jiān)測模塊001傳遞出的工作狀態(tài)信息包括舵機上兩對舵片都工作正常時,彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,舵片打舵3次;當所述舵片監(jiān)測模塊001傳遞出的工作狀態(tài)信息包括舵機上兩對舵片中一對工作正常,另一對工作不正常時,彈藥每旋轉(zhuǎn)一周,舵片打舵2次;其中,所述舵機上的兩對舵片交替打舵工作,所述打舵是指任意一對舵片執(zhí)行偏轉(zhuǎn)預設(shè)角度,并在預設(shè)時間后回復原位的工作過程,其中所述預設(shè)角度優(yōu)選為每次打舵的舵片工作角度,所述預設(shè)時間優(yōu)選為每次打舵的工作時間長度。
具體來說,當彈體坐標系與準彈體坐標系重合時,末制導炮彈后視圖如圖4中所示。炮彈沿順時針旋轉(zhuǎn),四片舵機沿彈體方向按照逆時針順序呈1-2-3-4順序分布。其中,(1-3)舵為一對同動舵,定義在如圖4中所示兩坐標系重合位置打正舵時產(chǎn)生oy4方向的力,負舵反之;(2-4)舵為一對同動舵,定義在如圖所示兩坐標系重合位置打正舵產(chǎn)生負oz4方向的力;
由繼電式舵機的工作原理可知,由于炮彈滾轉(zhuǎn)時繼電式舵機產(chǎn)生的控制力f是作用在與所需控制方向為中心的一定區(qū)域內(nèi)的,所以肯定存在舵控制力不完全在所需方向的效率問題,假設(shè)需要彈體產(chǎn)生慣性空間內(nèi)向上的控制力,則炮彈的控制力作用如圖5所示,圖5中,炮彈的滾轉(zhuǎn)角γ由-90°~+90°變化的半周內(nèi),控制力的作用范圍為
當考慮由于方向不正確使控制力效率有所降低,則此時舵機在
式中,r為彈體半徑,定義效率系數(shù)為
則可將舵機固定+5°舵擺角工作產(chǎn)生的平均作用力等效看作有效舵轉(zhuǎn)角工作一周(2π)產(chǎn)生的同等的作用力,其有效舵轉(zhuǎn)角的表達式為:
在一個優(yōu)選的實施方式中,當兩對舵片都工作正常時,舵機指令計算模塊002通過下式(一)、(二)、(三)獲得每次打舵的舵片工作角度,
其中,
據(jù)末制導炮彈末端比例導引制導工作原理,可得有效舵轉(zhuǎn)角指令δ有效與導引頭進動角速度
其中,
在一個優(yōu)選的實施方式中,起控時間計算模塊004通過下式(四)、(五)、(六)獲得每次打舵的工作時間長度,
其中,
優(yōu)選地,通過下式(七)、(八)、(九)獲得每次打舵的舵機起控時間;
其中,t1表示在彈藥旋轉(zhuǎn)一周的過程中第一次打舵的舵機起控時間,、t2表示在彈藥旋轉(zhuǎn)一周的過程中第二次打舵的舵機起控時間,t3表示在彈藥旋轉(zhuǎn)一周的過程中第三次打舵的舵機起控時間;
在末制導炮彈末制導過程中,激光目標指示器發(fā)射的激光信號為周期50ms,占空比為4:1的離散信號,一個周期內(nèi),舵機工作最大時間為40ms,則舵機最大占空比為40/50=0.8,而末制導炮彈在沒有干擾情況下,末制導段的滾轉(zhuǎn)速率基本穩(wěn)定在6.6轉(zhuǎn)/秒,則一個周期內(nèi)舵機最大工作角度為40ms×6.6×360°≈96°,根據(jù)前面計算末制導炮彈有效舵轉(zhuǎn)角時的公式可得其效率系數(shù)為:
則舵機工作的有效占空比為:0.89×0.8=0.712;
對應一個周期內(nèi)單軸舵機工作的最大有效舵轉(zhuǎn)角為:
δ′max=5°×0.712=3.56°
炮彈滾轉(zhuǎn)一周時間為1/6.6≈150ms。末制導炮彈在接受到目標反射激光指示器信號后舵機工作,則炮彈滾轉(zhuǎn)一周舵機可工作150/50=3次。
由于末制導炮彈具有兩對互相垂直方向的舵機,可通過兩對舵機工作,產(chǎn)生所需合力。通過分析炮彈滾轉(zhuǎn)一周舵機的工作情況,得到舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角。
假設(shè)舵機需產(chǎn)生的過載方向向上,在炮彈滾轉(zhuǎn)一周之內(nèi),工作三次,三次產(chǎn)生的方向向上的有效舵轉(zhuǎn)角分別最大為:
則彈體滾轉(zhuǎn)一周其最大平均有效舵轉(zhuǎn)角為:
在末制導炮彈比例導引末制導段,計算有效舵轉(zhuǎn)角為彈體滾轉(zhuǎn)一周舵機工作積分的平均值,故其最大值不應超過4.58°,舵機的有效舵轉(zhuǎn)角非線性飽和閥值為±4.58°。
在一個優(yōu)選的實施方式中,當所述舵偏角傳感器檢測到舵機出現(xiàn)故障后,末制導炮彈只有一對舵工作,同時控制俯仰和偏航。另一對舵機卡死在某一位置,由于末制導炮彈的滾轉(zhuǎn)特性,在滾轉(zhuǎn)周期內(nèi),舵機產(chǎn)生的等效力為零。通過分析炮彈滾轉(zhuǎn)一周舵機的工作情況,得到舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角;
具體來說,當兩對舵片中一對工作正常,另一對工作不正常時,舵機指令計算模塊002通過下式(十)、(十一)獲得每次打舵的舵片工作角度,
優(yōu)選地,起控時間計算模塊004通過下式(十二)、(十三)獲得每次打舵的工作時間長度,
通過下式(十四)、(十五)獲得每次打舵的舵機起控時間;
假設(shè)舵機需產(chǎn)生的過載方向向上,在炮彈滾轉(zhuǎn)一周之內(nèi),工作兩次,兩次產(chǎn)生的方向向上的有效舵轉(zhuǎn)角分別最大為:
則彈體滾轉(zhuǎn)一周其最大平均有效舵轉(zhuǎn)角為:
在末制導炮彈比例導引末制導段,計算有效舵轉(zhuǎn)角為彈體滾轉(zhuǎn)一周舵機工作積分的平均值,故其最大值不應超過3.56°,舵機的有效舵轉(zhuǎn)角非線性飽和閥值為3.56°。
當兩對舵機同時工作時,炮彈滾轉(zhuǎn)一周,舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角4.58°時,末制導炮彈最大可用法向過載nmax=2.51g;
當一對舵機工作時,炮彈滾轉(zhuǎn)一周,舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角3.56°時,末制導炮彈最大可用法向過載nmax=1.95g;
具體來說:
末制導炮彈在末制導段,末制導炮彈的氣動力系數(shù)變化不大,則通過最大平衡攻角αb可求得:在末制導段的最大升力:
最大可用法向過載:
結(jié)合末制導炮彈飛行彈道及大氣參數(shù),可求得末制導炮彈最大可用法向過載:質(zhì)量m=50.8kg,參考面積s=0.01815m2,大氣密度ρ=1.16kg/m3;
末制導段速度變化不大,取v=220m/s,升力系數(shù)對攻角的偏導數(shù)
當兩對舵機同時工作時,炮彈滾轉(zhuǎn)一周,舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角4.58°時,求得末制導炮彈最大可用法向過載nmax=2.51g;
當一對舵機工作時,炮彈滾轉(zhuǎn)一周,舵機的平均最大有效舵轉(zhuǎn)角3.56°時,求得末制導炮彈最大可用法向過載nmax=1.95g。
即,當目標1g加速度機動時,在保證末制導時間夠長的情況下,脫靶量為零;當目標2g加速度機動時,在保證末制導時間夠長的情況下,兩對舵工作時脫靶量為零,一對舵工作時脫靶量不為零。
通過模擬仿真對控制舵機數(shù)量和目標機動不同時脫靶量的變化情況,獲得目標1g機動時脫靶量和目標2g機動時脫靶量,如圖6和圖7中所示,其中當目標1g加速度機動時,在保證末制導時間夠長的情況下,脫靶量為零;當目標2g加速度機動時,在保證末制導時間夠長的情況下,兩對舵工作時脫靶量為零,一對舵工作時脫靶量不為零,從而可知當一對舵機出現(xiàn)故障后,通過改變控制方法,利用一對舵機可以基本實現(xiàn)對末制導炮彈的控制。
根據(jù)本發(fā)明提供的一種三位繼電式舵機的容錯控制方法,其特征在于,該方法是通過如上述文所述的三位繼電式舵機的容錯控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。
以上結(jié)合了優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明,不過這些實施方式僅是范例性的,僅起到說明性的作用。在此基礎(chǔ)上,可以對本發(fā)明進行多種替換和改進,這些均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。