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
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。
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。
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:
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:
电动机的角速度: ωm= 2πnm ,,其中nm 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 d2θdθMm =Jges* 2Bdtdt
矩平衡方程为: (2)
式中:Jges:折算到电动机轴上的总的转动惯量(Kg.m2), Jges= Jm + Jext
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)
θ: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
dθ比,即 E= K (3) dt
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:
Ua= Ia*R +L*dIa+E (4) dt
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:
(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:
其中K 2与构成UC3637 内部误差放大器模型;PWM 和电动机模型.:
:RS/R4:C3637内部电流传感放大器系数;UC3637 内部电流滤
波器模型. :;模型各参数定义如下:
Ra:电枢电阻(12.9 Ω ); B: 粘性摩擦系数(0.0053N.M/RAD/S): La: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 Ω ; τsp :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。
(6)
Gm0:PWM 放大器的直流放大系数,Gm0= I a /UTH|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/(RA*UR)。其中:US :电源电压。(24V);UR:参考电压。(UR =8V);RS:限流电阻。(3 Ω ); 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:
1+ SRC = 1+ SLA / RA
则电流环的闭环传递函数为:
其中:
为了使电流环实现最佳阻尼,选择阻尼系数Ζ
=1/
数为: ,电流环的闭环传递函
(11)
根据已知参数可求出R,C,RF ,CF 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:
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:
速度环控制对象模型:
四、实验内容及实验结果
1、为速度环设计PID 控制器:
速度环的控制作用是使得电流环的输出跟踪其输入信号,其控制采用PID 控制,其仿真结构图如下:
控制器的设计参数为:K= 6.2;KI= 8; KD=0.02。在该控制器的作用下,当输入为阶跃信号rd10δ(t)时,输入与输出的关系如图,当输入为正弦信号rd10sin(t)时输入与输出的关系如图
:
2、在 1 的基础上为位置环设计PID 调节器:
为位置环设计PID 控制器,其仿真结构图如下:
控制器的设计参数为: K = 60;KI =10;KD = 0。在该控制器的作用下,当输入为阶跃信号rd10δ(t)T 时输入与输出的关系如图,当输入为正弦信号rd10sin(t)时输入与输出的关系如图:
3、在 1 的基础上分析PID 参数对系统性能的影响:
通过实验可以得到如下的结论:
1) 比例环节:成比例地反映控制系统的偏差信号,偏差一旦产生,控制器
立即产生控制作用,以减小偏差,可以提高系统的快速性,使系统很快达到稳态。但使取值太大,可能会使系统发散。
2) 积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取
决于积分时间常数,该常数越大,积分作用越弱,反之越强。
3) 微分环节:反映偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得
太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
五、实验感想
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。由于其具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,他被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
通过此次对导弹制导与控制系统组成原理的Simulink仿真,使我对
Simulink仿真的一般步骤和方法有了更进一步的理解。由于Simulink仿真在控制领域中应用及其广泛,学好Simulink仿真技术、会灵活使用MATLAB对系统进行仿真对以后的学习和工作都很重要。同时,通过此次对导弹制导与控制系统组成原理的仿真,使我对导弹知道控制原理有了更形象的认识。
总之,此次仿真试验让我收获颇丰,这些技能和知识都将有助于我今后的学习和工作。