过载自动驾驶仪的设计
7页1、-过载自动驾驶仪的设计在许多高性能的指令制导或自寻的导弹中,经常能见到由一个加速度计提供主反响,由一个陀螺仪作为阻尼器的布局构造。一般对于具有两个对称平面的导弹可以采用一样构造的驾驶仪来控制偏航和俯仰运动,因此,可以以一个通道为设计对象,以俯仰通道为例即可。加速度计放置在距离质心前处,为质心到弹头部距离的到,敏感轴为轴。应当防止放置在弹体主振形即一阶振形的波腹处,否则,颤振引起的反响信息可能导致弹体构造遭到破坏,如果舵机系统的频带允许能够响应弹体的构造振动频率,舵面的偏转会加剧这一振动。陀螺仪也不应当放置在由于颤振引起的角运动最大的节点处,陀螺仪的敏感轴为轴,即输出比例于。图6.3-1 过载自动驾驶仪根本构造图6.3-1表示了采取尾舵控制的弹体的驾驶仪的根本构造。首先,忽略陀螺仪和加速度计的动态延迟,在此假定它们的带宽都在80以上,在感兴趣的频带围认为它们造成的延迟都是可以忽略的。第二,假设舵机伺服系统的动力学环节以一个二阶系统来表示已经足够了。第三,分子中的小量可以忽略,即不考虑舵面升力产生的过载,参见公式。因此,弹体的传递函数可以定义为稳态增益为的一个二阶系统(穿越频率为,阻尼比为
2、)。在4.6节中建立的尾舵控制的静稳定弹体具备一个负的稳态增益。假设反响器件的反响量为正,输入指令减去这些反响量构成的负反响,则舵系统增益只能为负。在不进展一些代数推导的情况下,从系统控制构造图能看出一些问题,首先,该驾驶仪是一个0型闭环系统,为了使闭环系统增益相对于气动增益的变化不敏感,应当使系统开环增益设计在10或更高,系统的开环增益为。第二,采取一定增益的反响回路包围能够使驾驶仪的增益降低和带宽增加,因此一般假设开环系统的穿越频率可以近似为闭环系统的固有频率。例如,设计一个驾驶仪的最小带宽为40(6.4),需要明确对于伺服系统需要至少多大的带宽,由于驾驶仪的穿越频率至少在弹体气动自振频率的2到3倍,可以认为弹体气动特性是严重欠阻尼的,因此在驾驶仪的穿越频率附近导致了接近180的相位滞后。从反响器件来看,速率陀螺提供了一局部输出反响为,另外一局部为输出量的一阶微分反响,因此速率陀螺测量的信号为。包含输出量一阶微分的反响对于增强系统的稳定性是有利的。对于加速度计,由于放置在距离质心处,因此它的反响量包括质心运动的加速度加上角加速度乘以距离,加速度计的总输出为。如果加速度计放置在质心前
3、,则,此时得到的总反响信息为一定比例的输出量加上的一阶和二阶微分信息,实际上提供了的一个二阶超前系统,所有反响均为负反响。总反响的信息为。此时的分析虽然不是很准确,但已经明确必须尽可能的依靠目前的硬件布局条件设计出超前能力大于70的反响校正网络。只有这样才能允许舵机系统在驾驶仪穿越频率处存在2025的相位滞后,系统的相位裕度仍能保持50左右,这就意味着舵机系统的带宽必须至少为3到4倍的驾驶仪设计带宽,对于一个设计带宽为40(6.4)的驾驶仪可能需要带宽至少为150(24)的舵机系统。现在不忽略的情况下进一步准确一些考虑附加小分子的影响。按照公式描述的话,图6.3.1中的被置换为。气动模型零点的引入也导致了从俯仰角速度到输出过载的传递函数的复杂化。将传递函数与相乘可以得到由公式4.6-8给出的公式。驾驶仪的总传递函数为: (6.3-1)其中:为了设计尾舵控制的导弹的自动驾驶仪,必须首先作出对弹体所需气动特性的系数估计。假定设计导弹在500的飞行速度下能产生250(25.5)的法向加速度(下一章将讨论需用过载的指定)。定义导弹平均飞行速度为500,最大飞行速度为,最小飞行速度为,即飞行速度
4、变化为1到1.5倍之间。假设升力大小正比于攻角大小,并且定义弹体最大攻角为0.2()。因此,单位攻角产生的弹道偏转角速率为:然而,尾舵控制的弹体由于翼身组合、控制面流场干扰等因素导致总升力下降,因此需要留出10的估计误差余量,定义。定义弹体特征长度为2,被动段质量为52,转动惯量为14。单位攻角产生的静稳定力矩可以由及静稳定度决定,考虑到将来对弹体的控制,需要为弹翼选取适宜的位置,先初步定义弹体静稳定度为45的弹体总长,需要指出,这个量会随着马赫数和攻角有所变化。此时,(为静稳定度,对于静稳定弹体),如果定义(弹体长度的4.5%),现在讨论对升降舵能力的要求,如果控制力臂为弹体一半长度的,即0.75,静稳定度为,则以最大舵偏角为0.24()的控制力矩来平衡静稳定力矩,需要满足,稳定的弹体转动速率决定了稳定的法向过载输出,此时由于弹体阻尼造成的负向阻尼力矩将降低升降舵的控制力矩效率,给出设计余量,令,弹体阻尼一般很小,没有必要准确的定义,大致定义阻尼力矩系数,根据控制力矩的力臂长度,可以得到,由于,即该系数表征了控制力矩造成的弹体转动加速能力,因此该参数对于驾驶仪的响应速度来说是关键的一
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