3.4.2 横滚控制系统的传递函数

在合理假设下,对稳定水平飞行状态下导弹的模型进行线性化处理,可以得到导弹的倾斜角输出值ϕs)与副翼偏转角度δas)之间的传递函数为

其中,参数c0b0b1d0e0f0f1,以及增益k,都是由稳定性派生出来的复杂函数,而稳定性又与飞行条件和导弹配置密切相关,因此它们会随着导弹型号的不同而不同,横滚和偏航之间的耦合关系可由式(3-80)表示。

导弹的侧向运动(横滚和偏航)有3种主要模式,分别为荷兰滚模式、盘旋模式和衰减横滚模式。荷兰滚模式兼有横滚和偏航运动,处于该模式时,导弹的质心运动轨迹几乎为一条直线,方向舵脉冲能够激发这种模式。盘旋模式以偏航运动为主,横滚运动的比重较小,这种模式通常比较轻微,但也有可能导致导弹进入危险的大角度盘旋俯冲状态。衰减横滚模式几乎是纯粹的横滚运动。本节主要针对衰减横滚模式设计控制器。在传递函数式(3-80)中,分母包含了一个积分环节、两个一阶环节和一个二阶环节,其中一阶环节分别表征了盘旋模式和衰减横滚模式,二阶环节表征了荷兰滚模式。该传递函数表明,横滚运动和偏航运动是耦合在一起的。传递函数式(3-80)中,极点s=-d0,与盘旋模式相关;极点s=-e0,与衰减横滚模式相关,而且通常有e0>>d0。而s2+f1s+f0环节对应的共轭复极点则与荷兰滚模式相关。

当导弹攻角较小(处于稳定水平飞行状态)时,荷兰滚模式环节s2+f1s+f0通常可以近似地消掉传递函数分子中的s2+b1s+b0项。该近似处理所用的假设条件与已有的假设条件是一致的。此外,由于盘旋模式的主要成分为偏航运动,与横滚运动只有轻度耦合,因此可以在传递函数中忽略盘旋模式环节。零点s=c0表示由于受地球引力的影响,导弹横滚时可能出现侧滑。由于在低速横滚机动中,允许积累一定的侧滑,可以假定侧滑较小,或者为零,从而忽略零点s=c0的影响。因此,可将式(3-80)简化处理,得到单自由度的传递函数模型:

此处,取e0=1.4,增益k=11.4。衰减横滚模式的时间常数τ=1/e0=0.7s,表明导弹有较快的横滚响应。

通常采用式(3-82)所示的一阶传递函数作为副翼执行机构的模型:

其中,es)=ϕdss),取参数p=10,对应的时间常数τ=1/p=0.1s,这是执行机构能够快速响应的典型参数取值,以便保证由主动控制产生的动力学响应,能够在系统的整个响应中占主导地位。较慢执行机构的时延将使导弹的性能或者稳定性出现问题。

为实现高精度仿真,还须为陀螺仪建立精确的数学模型。导弹上使用的陀螺仪一般具有非常快的响应速度。采用与前面一致的假设条件,忽略陀螺仪的动力学特性,认为陀螺仪(传感器)能够精确地测量导弹的倾斜角。于是,陀螺仪的数学模型就是单位传递函数,即

至此,导弹横滚控制系统的物理模型可由式(3-81)~式(3-83)给出。

选取比例控制器作为横滚运动的控制器,即有Gcs)=K,从而可以得到如图3-39所示的系统结构框图。

图3-39 导弹横滚控制系统结构框图