在MATLAB和Simulink中設計制導系統(tǒng)

在MATLAB和Simulink中設計制導系統(tǒng)此教程說明在使用應用于導彈自動駕駛儀設計的高級控制方法時如何使用多篇已發(fā)表論文中介紹的導彈彈體模型。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彈。彈體動力學模型該模型的核心元素是彈體的剛體動力學的非線性表示。作用到彈體上的空氣動力和力矩通過若干系數(shù)生成，這些系數(shù)是入射角和馬赫數(shù)的非線性函數(shù)?？梢允褂肧imulink?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化版本，讓您了解標準模塊庫具有的重用潛力。在Simulink中表示彈體彈體模型包含四個主要子系統(tǒng)，通過加速請求自動駕駛儀進行控制。大氣模型計算在高度不斷變化情況下的大氣條件變化，安定面作動器和傳感器模型將自動駕駛儀與彈體耦合，空氣動力學和運動方程模型計算作用在彈體上的力和力矩的大小，并對運動方程進行積分。國際標準大氣模型所使用的Atmosphere子系統(tǒng)是國際標準大氣的近似值，分成兩個單獨的區(qū)域。對流層區(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力系數(shù)Aerodynamics&EquationsofMotion子系統(tǒng)生成在彈體體軸線上施加到導彈的力和力矩，并對定義彈體線性運動和角運動的運動方程進行積分?？諝鈩恿ο禂?shù)存儲在數(shù)據(jù)集中，在仿真過程中，當前操作條件的值由使用二維查找表模塊的插值確定。經(jīng)典三回路自動駕駛儀設計導彈自動駕駛儀的目的是控制彈體的法向加速度。在此示例中，自動駕駛儀結(jié)構(gòu)是一個三回路設計，它使用來自放置在重心之前的加速計以及速率陀螺儀的測量值來提供附加阻尼?？刂破髟鲆婊谌肷浣呛婉R赫數(shù)進行調(diào)度，并經(jīng)過調(diào)諧以確保在10,000英尺的高度保持性能穩(wěn)定。使用經(jīng)典設計技術(shù)設計自動駕駛儀要求根據(jù)多個配平飛行條件推導出彈體俯仰動態(tài)的線性模型。MATLAB?可以確定配平條件，并直接從非線性Simulink模型推導出線性狀態(tài)空間模型，從而節(jié)省時間并有助于驗證已創(chuàng)建的模型。使用MATLABControlSystemToolbox?andSimulink?ControlDesign?提供的函數(shù)，設計人員可以對彈體開環(huán)頻率（或時間）響應的行為進行可視化。彈體頻率響應自動駕駛儀設計是在多個線性彈體模型上完成的，這些模型是在預期飛行包線上根據(jù)不同飛行條件得出的。要在非線性模型中實現(xiàn)自動駕駛儀，需要將自動駕駛儀增益存儲在二維查找表中，并引入一個抗飽和增益以在安定面需求超過最大限制時防止積分器飽和。因此，在非線性Simulink模型中測試自動駕駛儀是展示自動駕駛儀在非線性情況下（例如作動器安定面和速率限制等），以及增益隨飛行條件的變化而動態(tài)改變時，具有令人滿意的性能的最佳方式。圖窗：增益調(diào)度自動駕駛儀的Simulink實現(xiàn)自動制導回路完整的自動制導回路包括Seeker/Tracker子系統(tǒng)（返回導彈與目標之間的相對運動的測量值）和Guidance子系統(tǒng)（生成將傳遞到自動駕駛儀的法向加速請求）。自動駕駛儀現(xiàn)在是整體自動制導系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)路的一部分。參考資料[4]提供了有關(guān)當前正在使用的不同制導形式的信息，還提供了有關(guān)用于量化制導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)跟蹤期間生成請求，還要執(zhí)行初始搜索以定位目標位置。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求之間切換。在目標搜索期間，Stateflow模型通過向引向頭萬向節(jié)(Sigma)發(fā)送請求來直接控制跟蹤器。一旦目標位于引向頭的波束寬度范圍(Acquire)內(nèi)，跟蹤器便標記目標獲取，并且在短暫延遲后，閉環(huán)制導啟動。Stateflow是用于快速定義所有操作模式（無論正常操作還是異常情況）的理想工具。例如，此Stateflow圖中提供了當失去對目標的鎖定或在目標搜索期間未獲取目標時應采取的措施。比例導航制導當引向頭獲取目標后，使用比例導航制導(PNG)律來對導彈進行制導，直到命中。自20世紀50年代以來，這種形式的制導律一直在制導導彈中使用，并且可應用于雷達、紅外或電視制導的導彈。導航律需要導彈和目標之間的閉合速度的測量值（用于雷達制導的導彈，可通過多普勒跟蹤設備獲?。┮约皯T性視線角的變化率的估計值。圖窗：比例導航制導律Seeker/Tracker子系統(tǒng)Seeker/Tracker子系統(tǒng)的目的是使引向頭萬向節(jié)保持與目標對齊，并為制導律提供視線速率的估計值。跟蹤器循環(huán)時間常量

tors

設置為0.05秒，選擇它作為將響應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置得盡可能高。視線速率估計值是穩(wěn)定化速率陀螺儀測得的天線角度變化率與接收器測得的角度跟蹤誤差(e)的變化率的估計值之和的過濾值。在此示例中，估算器濾波器的帶寬設置為自動駕駛儀帶寬的一半。天線罩像差對于雷達制導的導彈，通常建模的寄生反饋效應是天線罩像差的效應。出現(xiàn)這種誤差的原因是引向頭上的保護蓋的形狀使返回信號失真，隨后給出相對于目標的視角的錯誤讀數(shù)。一般來說，失真量是當前萬向節(jié)角度的非線性函數(shù)，但通常使用的近似假定萬向節(jié)角度與失真量之間呈線性關(guān)系。在上面的系統(tǒng)中，標記為“RadomeAberration”的增益模塊表示天線罩像差。還經(jīng)常對其他寄生效應（如速率陀螺儀對法向加速的靈敏度）進行建模，以測試目標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行制導仿真現(xiàn)在要顯示整體系統(tǒng)的性能。在此例中，目標定義為以328米/秒的恒定速度在初始導彈位置上方500米與初始導彈飛行方向相反的航線上行進