在MATLAB和Simulink中設(shè)計(jì)制導(dǎo)系統(tǒng)

在MATLAB和Simulink中設(shè)計(jì)制導(dǎo)系統(tǒng)此教程說(shuō)明在使用應(yīng)用于導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)的高級(jí)控制方法時(shí)如何使用多篇已發(fā)表論文中介紹的導(dǎo)彈彈體模型。該模型表示以介于2馬赫和4馬赫之間的速度飛行，高度在10,000英尺（3,050米）和60,000英尺（18,290米）之間并且典型攻角在+/-20度之間的安定面控制導(dǎo)彈。彈體動(dòng)力學(xué)模型該模型的核心元素是彈體的剛體動(dòng)力學(xué)的非線性表示。作用到彈體上的空氣動(dòng)力和力矩通過(guò)若干系數(shù)生成，這些系數(shù)是入射角和馬赫數(shù)的非線性函數(shù)。可以使用Simulink?和AerospaceBlockset?創(chuàng)建該模型。此模塊集的目的是提供參考組件，如大氣模型，它對(duì)于所有模型是通用的，而不管彈體配置如何。這些示例包括了Aerospace模塊集提供的組件的簡(jiǎn)化版本，讓您了解標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)具有的重用潛力。在Simulink中表示彈體彈體模型包含四個(gè)主要子系統(tǒng)，通過(guò)加速請(qǐng)求自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行控制。大氣模型計(jì)算在高度不斷變化情況下的大氣條件變化，安定面作動(dòng)器和傳感器模型將自動(dòng)駕駛儀與彈體耦合，空氣動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)方程模型計(jì)算作用在彈體上的力和力矩的大小，并對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣模型所使用的Atmosphere子系統(tǒng)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣的近似值，分成兩個(gè)單獨(dú)的區(qū)域。對(duì)流層區(qū)域位于海平面到11千米之間，在此區(qū)域中，假定溫度隨不斷變化的高度線性降低。對(duì)流層區(qū)域以上是低平流層區(qū)域，高度在11千米到20千米之間。在此區(qū)域中，假定溫度保持恒定。用于構(gòu)造力和力矩的空氣動(dòng)力系數(shù)Aerodynamics&EquationsofMotion子系統(tǒng)生成在彈體體軸線上施加到導(dǎo)彈的力和力矩，并對(duì)定義彈體線性運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分?？諝鈩?dòng)力系數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)集中，在仿真過(guò)程中，當(dāng)前操作條件的值由使用二維查找表模塊的插值確定。經(jīng)典三回路自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀的目的是控制彈體的法向加速度。在此示例中，自動(dòng)駕駛儀結(jié)構(gòu)是一個(gè)三回路設(shè)計(jì)，它使用來(lái)自放置在重心之前的加速計(jì)以及速率陀螺儀的測(cè)量值來(lái)提供附加阻尼?？刂破髟鲆婊谌肷浣呛婉R赫數(shù)進(jìn)行調(diào)度，并經(jīng)過(guò)調(diào)諧以確保在10,000英尺的高度保持性能穩(wěn)定。使用經(jīng)典設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛儀要求根據(jù)多個(gè)配平飛行條件推導(dǎo)出彈體俯仰動(dòng)態(tài)的線性模型。MATLAB?可以確定配平條件，并直接從非線性Simulink模型推導(dǎo)出線性狀態(tài)空間模型，從而節(jié)省時(shí)間并有助于驗(yàn)證已創(chuàng)建的模型。使用MATLABControlSystemToolbox?andSimulink?ControlDesign?提供的函數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)彈體開環(huán)頻率（或時(shí)間）響應(yīng)的行為進(jìn)行可視化。彈體頻率響應(yīng)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)是在多個(gè)線性彈體模型上完成的，這些模型是在預(yù)期飛行包線上根據(jù)不同飛行條件得出的。要在非線性模型中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛儀，需要將自動(dòng)駕駛儀增益存儲(chǔ)在二維查找表中，并引入一個(gè)抗飽和增益以在安定面需求超過(guò)最大限制時(shí)防止積分器飽和。因此，在非線性Simulink模型中測(cè)試自動(dòng)駕駛儀是展示自動(dòng)駕駛儀在非線性情況下（例如作動(dòng)器安定面和速率限制等），以及增益隨飛行條件的變化而動(dòng)態(tài)改變時(shí)，具有令人滿意的性能的最佳方式。圖窗：增益調(diào)度自動(dòng)駕駛儀的Simulink實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制導(dǎo)回路完整的自動(dòng)制導(dǎo)回路包括Seeker/Tracker子系統(tǒng)（返回導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量值）和Guidance子系統(tǒng)（生成將傳遞到自動(dòng)駕駛儀的法向加速請(qǐng)求）。自動(dòng)駕駛儀現(xiàn)在是整體自動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)路的一部分。參考資料[4]提供了有關(guān)當(dāng)前正在使用的不同制導(dǎo)形式的信息，還提供了有關(guān)用于量化制導(dǎo)回路性能的分析技術(shù)的背景信息。Guidance子系統(tǒng)Guidance子系統(tǒng)的功能不僅是在閉環(huán)跟蹤期間生成請(qǐng)求，還要執(zhí)行初始搜索以定位目標(biāo)位置。Stateflow?模型用于控制這些不同操作模式之間的切換。模式之間的切換由在Simulink中或Stateflow模型內(nèi)部生成的事件觸發(fā)。通過(guò)更改傳遞到Simulink的變量

Mode

的值，可以控制Simulink模型的行為方式。此變量用于在可以生成的不同控制請(qǐng)求之間切換。在目標(biāo)搜索期間，Stateflow模型通過(guò)向引向頭萬(wàn)向節(jié)(Sigma)發(fā)送請(qǐng)求來(lái)直接控制跟蹤器。一旦目標(biāo)位于引向頭的波束寬度范圍(Acquire)內(nèi)，跟蹤器便標(biāo)記目標(biāo)獲取，并且在短暫延遲后，閉環(huán)制導(dǎo)啟動(dòng)。Stateflow是用于快速定義所有操作模式（無(wú)論正常操作還是異常情況）的理想工具。例如，此Stateflow圖中提供了當(dāng)失去對(duì)目標(biāo)的鎖定或在目標(biāo)搜索期間未獲取目標(biāo)時(shí)應(yīng)采取的措施。比例導(dǎo)航制導(dǎo)當(dāng)引向頭獲取目標(biāo)后，使用比例導(dǎo)航制導(dǎo)(PNG)律來(lái)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行制導(dǎo)，直到命中。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，這種形式的制導(dǎo)律一直在制導(dǎo)導(dǎo)彈中使用，并且可應(yīng)用于雷達(dá)、紅外或電視制導(dǎo)的導(dǎo)彈。導(dǎo)航律需要導(dǎo)彈和目標(biāo)之間的閉合速度的測(cè)量值（用于雷達(dá)制導(dǎo)的導(dǎo)彈，可通過(guò)多普勒跟蹤設(shè)備獲取）以及慣性視線角的變化率的估計(jì)值。圖窗：比例導(dǎo)航制導(dǎo)律Seeker/Tracker子系統(tǒng)Seeker/Tracker子系統(tǒng)的目的是使引向頭萬(wàn)向節(jié)保持與目標(biāo)對(duì)齊，并為制導(dǎo)律提供視線速率的估計(jì)值。跟蹤器循環(huán)時(shí)間常量

tors

設(shè)置為0.05秒，選擇它作為將響應(yīng)速度最大化與將噪聲傳播保持在可接受程度內(nèi)之間的折衷。穩(wěn)定化回路旨在補(bǔ)償本體旋轉(zhuǎn)速率和增益

Ks，后者是回路的交越頻率，在穩(wěn)定化速率陀螺儀的帶寬限制下設(shè)置得盡可能高。視線速率估計(jì)值是穩(wěn)定化速率陀螺儀測(cè)得的天線角度變化率與接收器測(cè)得的角度跟蹤誤差(e)的變化率的估計(jì)值之和的過(guò)濾值。在此示例中，估算器濾波器的帶寬設(shè)置為自動(dòng)駕駛儀帶寬的一半。天線罩像差對(duì)于雷達(dá)制導(dǎo)的導(dǎo)彈，通常建模的寄生反饋效應(yīng)是天線罩像差的效應(yīng)。出現(xiàn)這種誤差的原因是引向頭上的保護(hù)蓋的形狀使返回信號(hào)失真，隨后給出相對(duì)于目標(biāo)的視角的錯(cuò)誤讀數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，失真量是當(dāng)前萬(wàn)向節(jié)角度的非線性函數(shù)，但通常使用的近似假定萬(wàn)向節(jié)角度與失真量之間呈線性關(guān)系。在上面的系統(tǒng)中，標(biāo)記為“RadomeAberration”的增益模塊表示天線罩像差。還經(jīng)常對(duì)其他寄生效應(yīng)（如速率陀螺儀對(duì)法向加速的靈敏度）進(jìn)行建模，以測(cè)試目標(biāo)跟蹤器和估算器濾波器的穩(wěn)定性。圖窗：天線罩像差幾何圖運(yùn)行制導(dǎo)仿真現(xiàn)在要顯示整體系統(tǒng)的性能。在此例中，目標(biāo)定義為以328米/秒的恒定速度在初始導(dǎo)彈位置上方500米與初始導(dǎo)彈飛行方向相反的航線上行進(jìn)