导弹制导与控制系统组成原理

导弹制导与控制系统组成原理一、实验目的了解导弹制导与控制系统的组成原理，加深对导弹制导与控制系统的理解。二、实验要求1．实验准备理论基础：学习过导弹制导与控制系统原理等相关课程。软件基础：熟悉Matlab等相关软件。2．实验设计要求学生熟练应用Matlab编程语言设计各种形式的控制器，使得系统的输出快速准确地跟踪制导指令信号。三、实验原理导弹制导系统包括由探测系统，控制指令形成，到操纵导弹飞行的所有设备，也就是通常所说的飞行控制系统。这些设备的作用是使导弹保持在理想的导弹附近飞行，导弹制导系统的组成及原理框图如图1所示。引导系统通过探测装置确定导弹相对目标或发射点的位置形成引导指令。控制系统直接操纵导弹，要迅速而准确地执行引导系统发出的引导指令，控制导弹飞向目标。控制系统的另一项重要任务是保证导弹在每一飞行段稳定地飞行，所以也常称为稳定回路。稳定回路中通常含有校正装置，用以保证其有较高的控制质量。制导指令形成稳定回路校正执行机构校正执行机构受控对象质心运动姿态运动探测子系统绕心姿态运动弹/目相对运动探测子系统目标运动系统1U2U3Uyz姿态稳定回路舵机回路制导回路图1导弹制导系统的组成及原理框图实验中假设已经得到制导指令，并将其送入到导弹的控制系统，这里控制系统用一个伺服系统来代替。弹体选用一个电动机来代替，所要设计的控制器为速度环和电流环的内环控制器以及外环的位置环控制器，在所设计的控制器作用下，电机的转速能跟踪所给的指令信号。其简化原理结构图如下：位置环控制器速度环控制器执行机构被控对象速度反馈元件r1电机模型的建立控制电机采用的是稀土永磁直流力矩电机，仅通过改变加在电枢两端的电压来控制电机的运行。其等效结构图如下：图1电机结构图电动机的角速度：mmn2，其中mn为电动机转动的频率。直流电机中，电枢电流与磁场相互作用而产生电磁转矩。一般，它与电枢电流成正比：Mm=Cm*Ia（1）式中，Mm为电磁转矩（N.M），Ia为电枢电流。Cm为力矩系数（N.M/A）。电磁转矩用以驱动负载并克服摩擦力矩，假定只考虑与速度成正比的粘性摩擦，则直流力矩电机转矩平衡方程为：2m2M=Jges*ddBdtdt（2）式中：Jges：折算到电动机轴上的总的转动惯量（Kg.m2）Jges=JextJmJm：电动机电枢的转动惯量（Kg.m2）Jext：折算到电动机轴上的外部转动惯量（Kg.m2）：电动机轴的角位移（rad）B：电动机轴上的粘性摩擦系数（N.M/rad/s）当直流电动机电枢转动时，在电枢绕组有反电势产生。一般它与电动机转速成正比，即*dEKdt（3）式中，E：电动机反电势；K：反电势比例系数。根据克希霍夫定律，电枢绕组中的电势平衡方程为：**aadIaUIRLEdt（4）取电枢电压为输入量，电机输出电流为输出量，在零初始条件下对上式进行拉氏变换，得电动机的传递函数为：RaSLaRaSESUSIa/1/1)()()(（5）2电流环和速度环的数学模型电机的驱动采用了功率电子芯片UC3637，考虑到UC3637芯片内部结构和扩流电路，电流环的Simulink结构图如下：图1电流环Simulink框图其中2k与CSRRCSf1构成UC3637内部误差放大器模型；PWM和电动机模型.：1/0aamRSLG；Rs/R4：C3637内部电流传感放大器系数；UC3637内部电流滤波器模型.：SCRRfff1；模型各参数定义如下：aR：电枢电阻（12.9）；B：粘性摩擦系数（0.0053N.M/rad/s）；aL：电枢电感（5.3mH）；K1：UC3637内部电平移动系数；1/R4：UC3637电流检测放大器的跨导能力，1/R4=2.5*10-3；sp：为测速发电机速度反馈信号的滤波时间常数，由C3，R22，R23决定。322232223spRRcRR（6）Gm0：PWM放大器的直流放大系数，Gm0=/aIUth|s=0，若忽略UC3637H型功率转换电路的Uce.sat和二极管的Ube，则Gm0=2Us/（aR*Ur）。其中：sU：电源电压。（24V）；rU：参考电压。（rU=8V）；Rs：限流电阻。（3）；Km：电机的转矩系数。Km=0.2208N.M/A；Jges：电枢的转动惯量。Jges=26.46*10-5kg.m2。UC3637内部H型输出级桥臂晶体管开启延迟可避免切换瞬间的共态直通现象，由C10决定开启延迟时间的大小：σ=RΤC10；Rτ：UC3637内部电阻，约为1.5KΩ；C10：1.0nf从而求得延迟时间为1.5us，UC3637输出级晶体管关断延迟时间为0.5us，所以开启延迟1.5us是足以满足要求的。电流环设计中为了保证电流环路的稳定，调节器参数选择：RasLasRC/11（7）则电流环的闭环传递函数为：222121*044.0ccCSsssR（8）其中：)/(40ffsmcCCRRRG（截止频率）（9）smffRGCRCR044/（阻尼系数）（10）为了使电流环实现最佳阻尼，选择阻尼系数=2/1，电流环的闭环传递函数为：)221()1(*044.0222sCRCsRRCsRffffSff（11）根据已知参数可求出R，C，fR，fC的值。各值为：R=1.25kΩ；C=3.28*10-7f；Rf=510Ω；Cf=92nf。将各参数代入上式得电流环模型为：GC=110*4.910*767.1)110*7.4(*114.05285sss（12）电机连续堵转的工作电流为1.2A，作为小功率随动系统，电机的电枢电阻大，允许的过载倍数较高，可以不必过多的限制动态过程中的电流，该设计可满足需要。速度环Simulink结构图如下：图3.4速度环Simulink框图其中，Subsystem1为电流环，Subsystem为控制器。速度环控制对象模型：582550.114*(4.7*101)*0.2208(1.767*109.4*101)*(26.46*100.0053)VsGsss（13）四、实验内容1、为速度环设计PID控制器；2、在1的基础上为位置环设计PID调节器；3、在1的基础上为位置环设计模糊控制器；4、在1的基础上为位置环设计神经网络控制器；5、在1的基础上分析PID参数对系统性能的影响；6、比较PID调节器与模糊控制器以及神经网络控制器对系统控制效果的影响。注：以上实验内容3、4可选作。五、注意事项1、为了保证实验的顺利进行，请参加实验的同学遵守实验室规定，服从实验室人员的安排，爱护实验室设备。2、请在实验后的一星期内提交实验报告。3、报告书写：实验报告应包括如下内容：1）实验名称；2）实验目的；3）实验的理论依据和实验原理；4）实验方法；5）实验编程，程序说明，程序使用，程序运行结果；5）实验结果分析；6）总结