CN114200826A - 一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法 - Google Patents

一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法，是一种仅依靠升降舵和副翼控制俯仰和滚转通道的靶标，在水平面内持续大过载机动的过程中高度稳定控制的方法。该方法首先分析了靶标高度稳定控制所需的发射系y方向上的过载nHc，在预定过载指令nyc不可调的情况下，为了确保水平机动过程中高度保持稳定，设计在线滚转角指令规划算法，该算法通过实时规划滚转角指令，使得预定过载指令nyc在发射系y方向上的分量等于高度稳定的需用过载nHc，保证了水平机动过程飞行中靶标的高度稳定。飞行试验结果证明了该方法的有效性。

Description

一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法
技术领域
本发明涉及一种超音速大机动靶标持续大过载机动过程中的高度稳定控制方法，特别涉及一种没有方向舵，仅靠升降舵和副翼控制俯仰、滚转两通道，实现靶标在持续大过载机动时的高度稳定控制。
背景技术
靶标是一种能够模拟作战飞机和来袭导弹，为地空导弹、空空导弹的研制、定型和鉴定试验以及部队实战训练提供空中目标。一国靶标的性能是评价一国武器装备实力的试金石。资料显示美国F22战斗机升限可达18km，最大飞行马赫数2.0Ma，稳定盘旋过载不小于6g，瞬时过载不小于9g。为了更逼真的模拟该目标的飞行性能，国内先后研制出多款靶标，在空域、速域以及机动能力方面都有了大幅度提高，在性能上可以实现对高空、高速、持续大过载能力的模拟。但是目前国内靶标在F22性能模拟方面大都是仅能模拟其部分指标，不能同时兼顾高空、高速以及大过载机动的能力，因此，可以同时模拟高空高速大机动综合指标，能够更全面的考核武器装备的性能指标的靶标，是部队实战训练迫切需要战训目标。
在此需求下西北工业大学与西安航天动力研究所联合研制出一款高性能靶标，能够在8～14km的大范围空域内，实现0.8～1.6Ma宽速域包线内的巡航飞行，同时能够在全包线范围内实现不小于6g的稳定大过载机动，但是由于该型超音速大机动靶标在总体设计时，综合考虑成本等多项原因，设计方案中不含方向舵，采用滚转和俯仰两通道BTT控制策略，这就使其在持续机动过程中，若仅采用传统BTT控制方法控制过载和滚转角，气动产生的两通道间耦合在没有方向舵修正的情况下，不可避免会对高度产生影响。由于大机动靶标的任务是逼真的模拟四代机的飞行性能，在机动过程中对高度保持有较高的精度控制要求。因此，如何保证大机动靶标在持续大机动过程中仅靠两通道的控制实现对高度的稳定控制是大机动靶标研制的一项关键技术。
发明内容
本发明针对大机动靶标持续大过载机动时的高度保持问题，提出了一种滚转角指令在线规划方法。靶标在大过载机动过程中，俯仰通道通过控制升降舵跟踪过载指令，滚转通道通过控制副翼跟踪滚转角指令，实现靶标水平面内的机动。在机动过程中，由于过载指令大小是根据任务需要提前设定的，作为靶标考核指标一般不可更改，因此为保证机动过程中靶标的高度稳定，设计了一种在线实时的滚转角指令生成算法，根据靶标当前的飞行状态实时解算出当前的滚转角指令。
本发明的技术构思为：为靶标设计在线滚转角指令生成算法，保证其能在机动过程中保持高度稳定。大机动靶标滚转角指令在线规划原理框图如附图1、2所示，原理框图组成说明如下：
图1为大机动靶标的滚转通道控制结构框图，从图中可以看出，大机动靶标在飞行任务开始前提前设置好法向过载控制指令nyc，经过倾斜转弯(bank-to-turn,BTT)控制滚转角指令生成算法生成滚转角指令γc，弹上的滚转通道根据预先设计的控制律跟踪靶标的滚转角指令γc，但由于大机动靶标动力学特性，两通道之间存在一定气动耦合，而大机动靶标没有方向舵来修正通道间的气动耦合，由此将导致靶标在持续大过载机动的过程中不能保证高度的稳定；
图2位大机动靶标滚转角指令在线规划原理结构框图，从图中可以看出，大机动靶标在飞行任务开始前提前设置好法向过载控制指令nyc，经过滚转角指令在线规划算法，滚转角指令在线规划算法是根据靶标当前飞行的弹道参数h、Vy、
Figure BDA0003344141070000034
进行设计，对BTT滚转角指令生成算法进行修正，经过滚转角指令在线规划算法输出的滚转角指令为γc，弹上的滚转通道根据预先设计的控制律跟踪靶标的滚转角指令γc，使靶标在持续大过载机动时高度保持稳定。
本发明为一种超音速大机动靶标持续大过载机动过程中的高度稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤1：解算高度稳定控制的需用过载
高度稳定控制采用经典控制理论PD控制结构，其结构图如图3所示，稳定高度的需用过载指令
nHc＝kvy[kH(Hc-H)-Vy] (1)
式中，Hc为靶标飞行的高度指令，H为靶标的当前高度，Vy为靶标的速度在发射系y轴的分量，kH、kvy为靶标的高度控制参数，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令。
步骤2：解算滚转角指令
地面坐标系到弹体坐标系的转换矩阵
Figure BDA0003344141070000031
为：
Figure BDA0003344141070000032
式中，
Figure BDA0003344141070000033
地面坐标系到弹体坐标系的转换矩阵，
Figure BDA0003344141070000035
为靶标俯仰角，ψ为靶标偏航角，γ为靶标滚转角；
由上式可得
Figure BDA0003344141070000045
式中，nyg为发射坐标系y轴方向上的过载，nxb,nyb,nzb为弹体坐标系x、y、z轴的过载指，
Figure BDA0003344141070000047
为靶标俯仰角，γ为靶标滚转角。
由飞行试验数据可知，大机动靶标持续大过载的机动过程中，侧向过载nzb与轴向过载nxb与法向过载nyb相差1个数量级以上，且机动过程中
Figure BDA0003344141070000048
较小，因此上式可简化为：
Figure BDA0003344141070000046
将过载跟踪控制与滚转角跟踪控制模型等效为一阶惯性环节：
Figure BDA0003344141070000041
Figure BDA0003344141070000042
Figure BDA0003344141070000043
上式中，Tn、Tγ分别为过载时间常数及滚转角时间常数，nyc为靶标的预定过载指令，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令，γc为靶标的滚转角指令，s表示复数域。将式(5)代入(4)中，可得
Figure BDA0003344141070000044
由于大机动靶标的滚转通道控制系统跟踪快速性较好，时间常数Tγ较小，同时为了减小滚转角指令γc的超调，式(6)可简化为：
Figure BDA0003344141070000051
本发明的有益效果为：在控制没有方向舵的大机动靶时，在不影响机动过载的情况下，通过在线规划滚转角指令的方法，来实现大机动靶标持续大过载机动时保持高度稳定控制。本发明工作方式简洁可靠。
附图说明
图1是本发明的大机动靶标滚转角指令控制系统结构图。
图2是本发明的大机动靶标滚转角指令在线规划控制结构图。
图3是本发明的大机动靶标高度控制结构图。
图4是本发明的大机动靶标飞行试验高度曲线。
图5是本发明的大机动靶标飞行试验法向过载曲线。
图6是本发明的大机动靶标飞行试验滚转角曲线。
图7是本发明的大机动靶标飞行试验俯仰角曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，参照附图1—3对本发明做进一步说明。
所发明滚转角指令在线规划方法包含以下步骤：
步骤1：解算高度稳定控制的需用过载
高度稳定控制采用经典控制理论PD控制结构，其结构图如图3所示，稳定高度的需用过载指令
nHc＝kvy[kH(Hc-H)-Vy] (8)
式中，Hc为靶标飞行的高度指令，H为靶标的当前高度，Vy为靶标的速度在发射系y轴的分量，kH、kvy为靶标的高度控制参数，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令。
步骤2：解算滚转角指令
地面坐标系到弹体坐标系的转换矩阵为：
Figure BDA0003344141070000061
由上式可得
Figure BDA0003344141070000065
式中，nyg为发射坐标系y轴方向上的过载，nxb,nyb,nzb为弹体坐标系x、y、z轴的过载指，
Figure BDA0003344141070000067
为靶标俯仰角，γ为靶标滚转角。
由飞行试验数据可知，大机动靶标持续大过载的机动过程中，侧向过载nzb与轴向过载nxb与法向过载nyb相差1个数量级以上，且机动过程中
Figure BDA0003344141070000068
较小，因此上式可简化为：
Figure BDA0003344141070000066
将过载跟踪控制与滚转角跟踪控制模型等效为一阶惯性环节：
Figure BDA0003344141070000062
Figure BDA0003344141070000063
Figure BDA0003344141070000064
上式中，Tn、Tγ分别为过载时间常数及滚转角时间常数，nyc为靶标的预定过载指令，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令，γc为靶标的滚转角指令。将式(5)代入(4)中，可得
Figure BDA0003344141070000071
由于大机动靶标的滚转通道控制系统跟踪快速性较好，时间常数Tγ较小，同时为了减小滚转角指令γc的超调，式(6)可简化为：
Figure BDA0003344141070000072
该方法经过飞行试验验证。对于实施例，本发明所设计方法的参数选取为：kH＝0.3、kvy＝0.1，Hc＝14000,Ma＝1.6,nyc＝6。
根据实时数据动态解算的过程，参数也需要根据建模对象的不同进行设计和选取，按照步骤1、2解算出来的γc是时变的。首先将kH＝0.3、kvy＝0.1Hc＝14000，以及当前时刻的靶标高度H和发射系y向速度Vy，带入式8，解算出该时刻的nHc，然后将nyc＝6，以及当前时刻的靶标俯仰角
Figure BDA0003344141070000073
带入式14，解算出该时刻的γc。
大机动靶标的高度曲线如图4所示，过载曲线如图5所示，滚转角曲线如图6所示，俯仰角如图7所示。从图6中可以看出，在机动过程中滚转角随俯仰角变化，由此解算出的滚转角指令可以确保高度稳定，图4中高度在机动过程中稳定在14000附近，波动不超过±30m，由结果可以看出，该方法有效，具有较高的工程价值。

Claims (3)

1.一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：解算高度稳定控制的需用过载
高度稳定控制采用经典控制理论PD控制结构，稳定高度的需用过载指令
nHc＝kvy[kH(Hc-H)-Vy] (1)
式中，Hc为靶标飞行的高度指令，H为靶标的当前高度，Vy为靶标的速度在发射系y轴的分量，kH、kvy为靶标的高度控制参数，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令；
步骤2：解算滚转角指令
地面坐标系到弹体坐标系的转换矩阵
Figure FDA0003344141060000011
为：
Figure FDA0003344141060000012
式中，
Figure FDA0003344141060000013
地面坐标系到弹体坐标系的转换矩阵，θ为靶标俯仰角，ψ为靶标偏航角，γ为靶标滚转角；
由上式得到
nyg＝nxbsinθ+nybcosθcosγ-nzbcosθsinγ (3)
式中，nyg为发射坐标系y轴方向上的过载，nxb,nyb,nzb为弹体坐标系x、y、z轴的过载指，θ为靶标俯仰角，γ为靶标滚转角。
2.根据权利要求1所述的一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法，其特征在于：在步骤2中，由飞行试验数据可知，大机动靶标持续大过载的机动过程中，侧向过载nzb与轴向过载nxb与法向过载nyb相差1个数量级以上，且机动过程中θ较小，因此公式(3)简化为：
nyg＝nybcosθcosγ (4)
将过载跟踪控制与滚转角跟踪控制模型等效为一阶惯性环节：
Figure FDA0003344141060000021
其中，Tn、Tγ分别为过载时间常数及滚转角时间常数，nyc为靶标的预定过载指令，nHc为高度保持所需的发射系y轴方向上的过载指令，γc为靶标的滚转角指令，s表示复数域；将式(5)代入(4)中，可得
Figure FDA0003344141060000022
由于大机动靶标的滚转通道控制系统跟踪快速性较好，时间常数Tγ较小，同时为了减小滚转角指令γc的超调，式(6)简化为：
Figure FDA0003344141060000023
3.根据权利要求1所述的一种超音速大机动靶标持续大过载机动高度稳定控制方法，其特征在于：参数选取为：kH＝0.3、kvy＝0.1，Hc＝14000,Ma＝1.6,nyc＝6。
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