41-制导武器系统的MATLAB仿真

v x
FK = - m b21 b22 b23 vy
( 5)
b31 b32 b33
vz
以上是在运动过程中弹体所 受的分力, 根据牛顿 运动定
33
律可以得到质心运动 方程:
dvx
dt
dv y dt
=
1 m
GB
- X 1 - X1c Y1 + Y1c
+
gr r
x + Rox y + Roy
+
dv z
Z1 + Z1c
图 1 参数模块的内部结构
3 M ATLAB / S im u link环境下的 S - 函数应用
尽 管 MA TLAB /S imu link具 有直 观的 图形 化建 模界 面, 但对于复杂的大系统而言, 它并不能完全 满足用户 的仿真需 求。事实上, S - 函数是用来实现比较复杂的仿真模型一种通 用编程方法, 它通过 S - F unc tion模块 来调用。S - 函数分为 M 文件 S - 函数和 C M EX 文件 S- 函数。M 文件 S - 函数的 编写相对简单, 但会影响仿真速度; 而 C M EX 文件 S - 函数 的编写稍微复杂, 但可直接生成源代码, 不会影响仿真速度。
Gu idedW eapon System S im ulation by M ATLAB /Sim ulink
L I X ing - w e,i PAN Yu - lin, HUANG K e - d i
( Institu te ofM echa tron ic Eng ineer ing and A u tom a tiza tion, N ational U n iv ersity of D efense T echno log y, C hangsha H unan 410073, Ch ina)
2 基于 M ATLAB /S im u link的层次建模方法
对于 模型 比较 复杂 的系 统, 为 了避 免 在建 立仿 真 模型 时, 一开始就面临太多 的具体 细节, 可 以采 用层 次建模 的思 想。这样, 在 仿真建 模的初 期, 就可只 建立主 要的框 架, 随着
仿真建模工作的 逐步 深入, 再将 仿真 模型 逐步 细化, 直 至完整的仿真模型。这一思想 实际上 是一个 由粗到精 的 建模过程, 它对于快速建立研 究对象 的仿真 模型具有 重 要意义。事 实上, M ATLAB /S im ulink 提供 对这 一 功能 的 具体支持, 它提供 对各 个子 系统 进行 封装 的方 法, 封 装 的结果形成子 系统 ( sub system ) 模 块。子 系统 中 还可 以 包含新的子系统, 子系统的数 目和层 次的深 浅不受任 何 约束。图 1就是一个按层次建 模思想 建立的 某制导武 器 仿真模型的某个参数 模块, 该 参数模 块的功 能是计算 气 动系数, 相对于整体模型, 它是一 个封装 的子系 统, 事 实 上, 它又有 自己 的子 系 统。同样, 在 参 数模 块 内部 中 的 V c_sy s、空气 参数、欧 拉角、m ach_a lfa_q、插值 子 系统 也 都是封装的模块。因此, 在 M ATLAB /S imu link环境下建模, 可 以将模型分解开, 先进 行分系 统的 建模, 再 根据 数据的 传输 关系将分系统联接起 来, 形成 完整 的仿真 模型。整个建 模过 程简单, 模型的层次清晰, 检查 容易、修改方便。
AB STRACT: T he paper , based on a ce rta in guided amm un ition, stud ies the comm on prob lem o f the m ode ling and sim u lation o f norm al gu ided w eapon system. F irstly, the a rtic le puts forw ard the thought o f m ode ling wh ich can establish the s im ula tion m ode l step by step. S econd ly , taking the in terpo la tion o f pneum atic pa ram eter a s an ex am p le, it stud ie s the m ethod that app lies S - function to enhance the function o f S im u link. T h irdly, it se ts up an integ ra ted sim u lation m ode l o f one gu ided w eapon sy stem for simu lation. In the end, the ar ticle discusses the m e thods fo r decreas ing sim u lation tim e and enhanc ing rea l- tim e capab ility. In fact, the pape r ha s impo rtant refe ren tia l va lue to the sim u la tion o f no rm a l w eapon simu lation, e spec ia lly, to the sim u lation of com p lex sy stem that need to build m ode l qu ickly. K EYW ORDS: Gu ided w eapon sy stem; D ig ita l sim u lation; M ode ling; R ea l- t im e
1+ J
ae
2
( 1 - 5 s in2
)
r
g
e
=-
2
fM r2
J
ae r
2
s in
离心惯性力和 哥氏惯 性力 在发射 坐标 系中 的计算 公式
分别为:
a11 a12 a13 x + R ox
Fe = - m a21 a22 a23 y + Roy
( 4)
a31 a32 a33 z + R o z
b11 b12 b13
第 23 卷 第 2期 文章编号: 1006 - 9348( 2006) 02 - 0032 - 04
计算机仿真
制导武器系统的 MATLAB仿真
2006年 2月
李兴玮, 潘玉林, 黄柯棣
( 国防科技大学机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073 )
摘要: 该文以防区外投放的制导航空弹药为背景, 探讨了在 M A TLA B /S im u link 环境下建立制导武器系统仿真模型并进行仿 真研究的共性问题。首先, 提出了 S imu l ink 环境下分层次建模的思想, 这一思想能将仿真建模的 任务逐步细化, 避免在建立 复杂大系统的模型时, 一开始就面临太多的具体细节; 其次, 以气动参数插值为例研究了应用 S函数来增强 S imu l ink仿真功 能的具体方法; 然后, 建立了某制导武器系统完整的六自由度仿真模型并进行了 仿真研究; 最后, 探讨了仿真时 间要求苛刻 的条件下, 缩短仿真时间、提高实时性的一些方法和手段。事实上, 该文对于一般武器系统的仿真, 特别是需要快速建立仿真 模型的复杂大系统仿真来说, 具有非常重要的参考价值。 关键词: 制导武器系统; 数字仿真; 建模; 实时 中图分类号: TP391. 9 文献标识码: A
z + Roz
dt
cos B0 cos A 0
a11 a12 a13 x + R ox
g e sin B0
- a21 a22 a23 y + Roy -
- cos B0 sin A 0
a31 a32 a 33
z + Roz
b11 b12 b13 vx
b21 b22 b23
vy
( 6)
b31 b32 b33
1 引言
武器系统的制导化是军事 技术变革的一个 重要内容, 成 本低廉、射程较远、能全天候抗干扰 作战的自 主制导炸弹, 是 当前国际上制导弹药发展的主 流。该文以 防区外投 放的制导 航空弹药为背景, 探讨在 M ATLAB /Simu link环境 下, 建立制 导武器系统仿真模型 并进行仿真研究的共性 问题。首先提出 了 S im u link环境下分层次建模的 思想, 这一思想能 将仿真建 模的任务逐步细化, 避 免在建 立复 杂大系 统的 模型 时, 一开 始就面临太多的具体细节, 这对于快速建 立研究对 象的仿真 模型具 有重 要的实 际应 用价 值。尽 管 M ATLAB /Simu link具
力矩系数导数; bA 为弹翼的平均气动弦长。
气动力矩在弹体 坐标系中的计算公式为:
M x1st
Hale Waihona Puke Baidu
m!x1qSLym ! !
m
! x1
qSL
ym
!
M st =
M y1st =
m!y1qSLym ! ! =
m
! y1
qSL
ym
!
( 8)
M z1st
m
∀ z1
qS
bA
y
mz1 qS bA
式中,
m
x!1、m
!y 1、m
∀ z1
分别为全弹滚动、偏航、俯仰气动力矩系
数导数; Lym 为弹翼的展长。
此外, 还有阻尼力矩、交叉力矩 和机翼阻 尼力矩等, 可进
一步得到绕质心运动 的动力学方程。
3) 制导武器系统的弹体 运动模型
)
/57.
3
Fc = Y1c = CyD qS ( 1 + 2 - 3 - 4 )
Z1c
CzD qS ( - 1 + 2 + 3 - 4 )
( 2)
引力在发射坐标系 中的三分量的计算公式为:
g= gr r
x + Rox y + Roy
+ ge
e
ex ey
( 3)
z + Roz
ez
其中:
g
r
=
-
fM r2
( 1)
Z1 其中: q 为速度头,
Czb qS
S 为制导武器系统 的参考截面积, 即弹翼的毛翼面积, Cxb、Cyb、Czb 分别 为弹体 坐标 系中 的轴向 阻力 系 数、法 向力系数和侧向力系数。
控制力在弹体坐标 系中的计算公式为:
- X 1c
- CDp qS (
2 1
+
2 2
+
2 3
+
2 4
收稿日期: 2004 - 07 - 16
32
有图形化的建 模界 面, 但它 并不 能 完全 满 足用 户的 仿 真需 求, 对于复杂的大系统而言, 使用 S- 函数是增强其仿真功能 的主要方法。气动系 数插值 是武 器系统 仿真 中常见 的问 题, 虽然 M ATLAB /S imu link环境 下提 供了 任意 维的 线性 插 值, 但它不能满足高精度的三点插值 要求, 作者通过编 写 S - 函 数 的 方 法 实 现 了 抛 物 线 的 三 点 插 值 模 块。 该 文 在 M AT LA B /S im u link环境下建立 了某制 导武 器系 统完整 的六 自由度仿真模型并进行 了仿真研究, 对于 一般武器系 统的六 自由度仿真模型建立具 有重要的借鉴意义。
vz
2) 绕质心运动
绕质心的运动中 , 控制力矩在弹体坐标系中为:
M x 1c
mxD qS bA ( 1 + 2 + 3 + 4 )
M c = M y1c = myD qS bA ( - 1 + 2 + 3 - 4 )
( 7)
M z1c
- m zD qSbA ( 1 + 2 - 3 - 4 )
式中, mxD、myD、mzD 分别为单片 舵的滚 动、偏 航、俯仰 控制
4 基于 M ATLAB / S im u link的制导武器系统六自 由度建模
图 2 线性插值模块 制导武器系统 弹体的 六自 由度包 括三 个自 由度的 质心
运动和三个自由度的绕 质心运动。
1) 质心运动
质心运动在弹体坐 标系中的气动力计算公式为:
- X1
Cxb qS
R = Y1 = Cyb qS
弹道模型中气动系数的计 算需要用插值算 法来实现, 在 M AT LA B /S im u link环境下提供了任 意维的线性插值, 可以满 足不同的线性插值的需要。在制导武器系 统的仿真 过程中需 要采用 精度 更高的 三点 插值, 而 M ATLAB / Simu link不 提供 直接的三点 插值模块, 所以运用了编写 S - 函数的方法, 通过 搜索与插值两个函数来实现。插值模块 的内部结 构如图 2所 示。