CN115857557B - 一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，属于无人机控制领域，解决了云雀靶标无动力爬升时的侧向位置控制的问题；其包括设计靶标侧向位置触发控制策略；采用PD控制结构，计算侧向位置控制的过载指令；根据靶标跟踪高度的过载指令和侧向位置控制的过载指令，计算双通道法向过载指令和滚转角指令；采用计算所得的双通道法向过载指令和滚转角指令同时进行靶标高度的跟踪和对靶标侧向位置的控制。本发明在靶标没有方向舵时，仅控制俯仰和滚转两通道的情况下，在线进行法向过载和滚转角指令的规划设计，使得靶标在无动力爬升段跟踪高度的情况下，能够有效控制侧向位置，同时减少能量的损耗及来回滚转次数。

Description

一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法

技术领域

本发明属于无人机控制的技术领域，具体涉及一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，用以设计爬升段侧向位置控制策略实现双通道靶标在爬升过程中既能跟踪高度，又能有效进行侧向位置控制的功能。

背景技术

云雀靶标作为国内首款超音速大机动靶标，具有模拟先进四、五代机大空域、宽速域、高机动的能力，可为导弹武器系统的定型鉴定和飞行员日常训练提供空中目标。在实际供靶试验中，为了提高靶标供靶的有效性，靶标需按主航道飞行，尽量减小侧向位置的偏差，确保按照理论弹道供靶。因此，靶标需要进行有效的侧向位置控制。

然而与传统三通道控制不同，云雀靶标采用鸭尾舵气动布局，无方向舵，依靠鸭舵与升降舵控制俯仰通道，副翼控制滚转通道，在靶标的爬升段，靶标不仅要跟踪高度指令，同时必须要进行有效的侧向控制，而爬升过程中控制高度的过载指令符号具有不确定性，这就使得要控制侧向位置的滚转角指令存在多次反号的情况；另一方面，该靶标受液体火箭发动机工作条件的约束，在进入任务高度之前发动机不具备开机条件，靶标的爬升段为无动力爬升段。因此，如何保证靶标无动力爬升过程中依靠双通道控制实现对高度的跟踪的同时对侧向位置进行有效控制，且尽量减小能量损耗、减少来回滚转次数，确保靶标无动力安全到达任务高度，是云雀靶标研制的一项关键技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，以解决云雀靶标无动力爬升时的侧向位置控制的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，其包括以下步骤：

S1、设计靶标侧向位置触发控制策略；

S2、采用PD控制结构，计算侧向位置控制的过载指令；

S3、根据靶标跟踪高度的过载指令和侧向位置控制的过载指令，计算双通道法向过载指令和滚转角指令；

S4、采用计算所得的双通道法向过载指令和滚转角指令同时进行靶标高度的跟踪和对靶标侧向位置的控制。

进一步地，步骤S1中设计靶标侧向位置触发控制策略，包括：

助推分离时刻后至靶标进入任务高度平飞时刻，时刻高度跟踪控制启控，时刻侧向位置控制启控，时刻后判断侧向位置z是否超出侧向位置触发控制门限，若未超出门限，则侧向位置不控，侧向位置控制的过载指令，滚转角指令，若超出门限，则进入侧向位置控制，且当侧向位置再次小于门限时，仍保持侧向位置控制。

进一步地，步骤S2中计算侧向位置控制的过载指令，包括：

采用经典控制理论PD控制结构进行靶标侧向位置控制，计算侧向位置控制的过载指令为：

其中，为靶标飞行的侧向位置指令，z为靶标当前的侧向位置，、分别为靶标的速度在发射系位置 x、z上的分量，表示符号函数，、为靶标的侧向位置控制参数。

进一步地，步骤S3中计算双通道法向过载指令，包括：

采用靶标跟踪高度的过载指令对侧向位置控制的过载指令进行修正：

其中，为靶标的滚转角限幅；为修正后的侧向位置控制的过载指令；

基于修正后的侧向位置控制的过载指令，得到修正后的侧向位置的控制指令为：

其中，为侧向位置过载指令为零的判别条件；

根据修正后的侧向位置的控制指令和靶标跟踪高度的过载指令，计算俯仰通道的法向过载指令为：

。

进一步地，步骤S3中计算滚转通道的滚转角指令，包括：

根据修正后的侧向位置的控制指令和俯仰通道的法向过载指令，计算滚转通道的滚转角指令为：

对滚转通道的滚转角指令的计算表达式的分母进行过0优化：

其中，为优化后的滚转通道的滚转角指令；

优化后的滚转通道的滚转角指令为：

。

本发明提供的靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，具有以下有益效果：

本发明工作方式简洁、可靠、有效，在控制没有方向舵的靶标时，在无动力爬升段不影响高度跟踪的情况下，仅控制俯仰和滚转两通道的情况下，通过在线规划法向过载指令及滚转角指令，来实现靶标无动力爬升时对侧向位置的有效控制，同时可减少能量的损耗及来回滚转次数。

本发明仅通过俯仰和滚转通道控制的靶标，在无动力爬升过程中跟踪高度的同时进行有效的侧向位置控制；本发明方法首先设计了基于门限的侧向位置触发控制策略，在超出门限时进行侧向位置控制，之后，根据靶标跟踪高度的过载指令以及滚转角限幅对侧向位置控制的过载指令进行修正，在线规划得到修正后的侧向位置的控制指令，与靶标跟踪高度的过载指令通过在线规划算法生成俯仰通道的法向过载指令以及滚转通道的滚转角指令，本发明即保证了无动力爬升过程中对高度跟踪，同时可以有效控制侧向位置偏差。

附图说明

图1是本发明的靶标法向过载及滚转角指令在线规划控制结构图。

图2是本发明的靶标侧向位置曲线。

图3是本发明的靶标高度曲线。

图4是本发明的靶标速度曲线。

图5是本发明的靶标法向过载曲线。

图6是本发明的靶标滚转角曲线。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，本实施例的靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，靶标在爬升过程中，其首要任务是完成对高度指令的跟踪及安全到达任务高度，因此用于侧向位置控制的过载及滚转角的分配需考虑尽可能减小靶标的能量损耗。基于此，本发明合理设计侧向位置触发门限，在侧向位置控制时根据高度跟踪的过载指令实时解算出当前可用于侧向位置控制的最大过载指令及匹配的滚转角指令。

本发明的技术构思为靶标设计在线过载指令及滚转角指令生成算法，保证其能在无动力爬升过程中跟踪高度的同时实现有效的侧向位置控制，且尽量减少无动力爬升过程中的能量损耗。

参考图1，本实施例的靶标过载及滚转角指令在线规划原理组成为：

图1为靶标的侧向位置控制指令在线规划原理结构框图，从图中可以看出，本实施例的原理结构包括侧向位置自动驾驶仪和高度自动驾驶仪，靶标在爬升段根据高度控制与侧向位置控制分别产生靶标跟踪高度的过载指令与侧向位置控制的过载指令，侧向过载指令在线规划器会根据高度控制产生的对侧向位置控制的过载指令进行修正，产生新的侧向过载指令，即修正后的侧向位置的控制指令，由修正后的侧向位置的控制指令与高度控制产生的靶标跟踪高度的过载指令在线生成俯仰通道的法向过载指令以及滚转角指令，弹上的俯仰通道和滚转通道根据预先设计的控制律跟踪靶标的法向过载指令记忆滚转角指令，使靶标在无动力爬升段跟踪高度的同时进行有效的侧向位置控制。

本实施例基于图1所示的靶标的航迹控制指令设计原理结构框图，给出一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，其包括以下步骤：

步骤S1、设计靶标侧向位置触发控制策略，其具体包括：

助推分离后至靶标进入任务高度平飞时刻，时刻高度跟踪控制启控，时刻侧向位置控制启控，时刻后判断侧向位置z是否超出侧向位置触发控制门限，若未超出门限，则侧向位置不控，侧向位置控制的过载指令，滚转角指令；若超出门限，则进入侧向位置控制，且当侧向位置再次小于门限时，仍保持侧向位置控制。

步骤S2、计算侧向位置控制的过载指令，其具体包括：

采用经典控制理论PD控制结构进行侧向位置控制，以计算侧向位置控制的过载指令：

(1)

其中，为靶标飞行的侧向位置指令，z为靶标当前的侧向位置，、分别为靶标的速度在发射系 x、z轴的分量，表示符号函数，、为靶标的侧向位置控制参数。

步骤S3、根据靶标跟踪高度的过载指令和侧向位置控制的过载指令，计算双通道法向过载指令和滚转角指令，其具体包括：

本实施例靶标爬升过程中为了减小能量的损耗，采用实时的靶标跟踪高度的过载指令对靶标的侧向位置控制的过载指令进行修正：

(2)

其中，为靶标跟踪高度的过载指令，为侧向位置控制的过载指令，为靶标的滚转角限幅。

在靶标爬升过程中靶标跟踪高度的过载指令的符号存在多次反号的情况，经分析出现正号的持续时间较短，且过载值较小，因此为了减少靶标来回滚转的次数，修正后的侧向位置的控制指令为：

(3)

其中，为侧向位置过载指令为零的判别条件，为修正后的侧向位置控制的过载指令。

根据修正后的侧向位置的控制指令和靶标跟踪高度的过载指令，计算俯仰通道的法向过载指令为：

(4)

根据修正后的侧向位置的控制指令和俯仰通道的法向过载指令，计算滚转通道的滚转角指令为：

(5)

其中，分母存在过0的情况，因此对上式中的分母进行过0优化：

(6)

其中，为优化后的滚转通道的滚转角指令；

优化后的滚转通道的滚转角指令为：

(7)

步骤S4、采用计算所得的双通道法向过载指令和滚转角指令同时进行靶标高度的跟踪和对靶标侧向位置的控制。

采用本实施例步骤S1~步骤S4的方法，并采用半实物仿真试验进行验证。本实施例所设计方法的参数选取为：，，，，；

其中，大机动靶标的侧向位置曲线如图2所示，高度曲线如图3所示，速度曲线如图4所示，法向过载曲线如图5所示，滚转角曲线如图6所示。

从图5、6中可以看出，在无动力爬升过程中滚转角随法向过载的符号改变而变化，在法向过载超过判别条件时，滚转角为0，可以减少能量的损耗同时减少来回滚转次数，图2中侧向位置的最大偏差由不控时的1170m，减小到了525m，从图3可以看出，高度仍可按预定控制方法进行跟踪，从图4中可以看出，速度较侧向位置无控时有所降低，由结果可以看出，本实施例的步骤S1~步骤S3的方法工作方式简洁、有效、可靠，在控制没有方向舵的靶标时，在无动力爬升段不影响高度跟踪的情况下，通过在线规划法向过载指令及滚转角指令的方法，来实现靶标无动力爬升时对侧向位置的有效控制，具有较高的工程价值。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设计靶标侧向位置触发控制策略；

S2、采用PD控制结构，计算侧向位置控制的过载指令，包括：

采用经典控制理论PD控制结构进行靶标侧向位置控制，计算侧向位置控制的过载指令为：

其中，为靶标飞行的侧向位置指令，z为靶标当前的侧向位置，、分别为靶标的速度在发射系位置x、z上的分量，表示符号函数，、为靶标的侧向位置控制参数；

S3、根据靶标跟踪高度的过载指令和侧向位置控制的过载指令，计算双通道法向过载指令和滚转角指令；

计算双通道法向过载指令，包括：

采用靶标跟踪高度的过载指令对侧向位置控制的过载指令进行修正：

其中，为靶标的滚转角限幅；为修正后的侧向位置控制的过载指令；

基于修正后的侧向位置控制的过载指令，得到修正后的侧向位置的控制指令为：

其中，为侧向位置过载指令为零的判别条件；

根据修正后的侧向位置的控制指令和靶标跟踪高度的过载指令，计算俯仰通道的法向过载指令为：

；

计算滚转通道的滚转角指令，包括：

根据修正后的侧向位置的控制指令和俯仰通道的法向过载指令，计算滚转通道的滚转角指令为：

对滚转通道的滚转角指令的计算表达式的分母进行过0优化：

其中，为优化后的滚转通道的滚转角指令；

优化后的滚转通道的滚转角指令为：

；

S4、采用计算所得的双通道法向过载指令和滚转角指令同时进行靶标高度的跟踪和对靶标侧向位置的控制。

2.根据权利要求1所述的靶标爬升段纵向指令匹配的侧向位置控制方法，其特征在于，所述步骤S1中设计靶标侧向位置触发控制策略，包括：

助推分离时刻后至靶标进入任务高度平飞时刻，时刻高度跟踪控制启控，时刻侧向位置控制启控，时刻后判断侧向位置z是否超出侧向位置触发控制门限，若未超出门限，则侧向位置不控，侧向位置控制的过载指令，滚转角指令，若超出门限，则进入侧向位置控制，且当侧向位置再次小于门限时，仍保持侧向位置控制。

Images