(4)提高弹体响应频率;
(5)精确、鲁棒地跟踪指令
早期导弹自动驾驶仪的设计以经典控制理论[4]为主,研究的系统为单输入单输出的常参量系统, 采用的研究方法是固定增益和反馈控制技术相结合的方法,系统的基本数学描述为传递函数,并且利用经典控制理论中的根轨迹法和频率响应法辅助设计系统。虽然利用传统方法设计自动驾驶仪系统的优点是每层反馈和校正的物理意义都很明确,但是缺点是设计时会过多地依赖了设计者的设计经验,盲目性和尝试性较强,设计过程也很繁琐,尤其是处理多输入多输出的系统的时候,并且不能准确地把握设计中可能出现的潜在情况,从而不能完全掌握系统的性能。
概括来说,导弹自动驾驶仪的设计方法是从传统经典的线性控制方法逐步发展为现代的非线性控制方法。虽然传统的单输入单输出控制方法不能很好地解决如耦合、死区、饱和等非线性的控制问题,但是就目前来说,由于现代控制理论的设计方法还存在结构复杂、信息量大和工程化难等许多问题,因此其还不能完全取代早期传统的设计方式,因此 ,多种控制方法相结合的综合设计方式是比较实用的[5]。
导弹自动驾驶仪的设计方法很多,在理论上设计的自动驾驶仪不论有多完美,当它们真正用于工程时,其潜在的工程实用性都必须要考虑。目前制约设计方法工程实现的主要瓶颈是稳定性和实时计算量,这个问题无论是用经典控制方法还是现代控制理论都不能单一解决,目前努力的主要方向是将经典控制理论和现代控制理论的方法相结合,并且使其能在工程上得到实现。并且,考虑到导弹飞行状态的复杂多变性,即导弹在飞行过程中一定会受到扰动,单一参数的自动驾驶仪几乎不能达到对复杂环境的控制要求,因此,采用基于增益调度[6]的自适应控制[7]方法就显得非常必要。增益调度法的基本思想是:在系统动态范围内的某些工作点处采用系数冻结法,对对象的非线性时变模型进行线性化处理,根据这些点处线性化模型的稳定性能要求,利用已有的线性理论设计控制器,设计较大的闭环稳定边界保证系统对参数变化的鲁棒性,然后利用仿真调试方法,设计控制参数从一个模态变化到另一个模态的控制规律[8]。
2 导弹控制系统建模与弹体特性分析
2。1 常用坐标系与角度的定义
研究导弹的运动,首先要确定其在空间中的位置。坐标系是为描述导弹位置和运动规律而选取的参考基础,基于不同坐标系建立的导弹运动方程组的形式和繁杂程度不一样,这会影响求解这些方程组的难易程度,运动参数变化的直观程度也会随之变化。因此,只有选取了确定的坐标系之后才能根据不同的需求利用坐标系确定导弹在空间中的相对位置。
(1)地面坐标系 文献综述
地面坐标系 与地球表面固连,坐标系原点通常选取在导弹发射的瞬时质心上, 轴通常是弹道面与水平面的交线,指向目标为正; 轴垂线向上; 轴与其他两轴垂直并构成右手坐标系。具体参见图2。1。
图2。1地面坐标系
(2)弹体坐标系
弹体坐标系的原点 取在弹体质心上; 轴与弹体纵轴重合,指向头部为正; 轴位于弹体的纵向对称面内,垂直于 轴,指向上为正; 轴与 轴、 轴构成右手直角坐标系。弹体坐标系与弹体固联,是动坐标系,该坐标系主要用来描述导弹绕质心的旋转运动。具体可参见图2。3。
(3)弹道坐标系
弹道坐标系的原点 取在导弹质心上; 轴与导弹的速度矢量 重合; 轴位于包含速度矢量 的铅垂线内垂直于 轴,指向上为正; 轴与其他两轴垂直并构成右手坐标系。具体可参见图2。2。