二维弹道修正引信制导控制系统半实物仿真

初始质量偏差
2 静态参数偏差 转动惯量偏差
头部极转动惯量偏差
3 气象参数偏差 大气密度偏差
4 初始扰动
初始姿态角 初始姿态角速度
5 炮口初速偏差 炮口速度
6 风干扰
风向
风速
x 向速度偏差
y 向速度偏差
7 制导工具误差 z 向速度偏差
y 向位置偏差
z 向位置偏差
偏差范围
上限
下限
+10%
-10%
+8%
-8%
Shijiazhuang 050003袁China冤
Abstract: A complete design of hardware -in -the -loop simulation system for the guidance and control system of the two-dimension course correction fuze is presented in this paper. Two motors are taken to simulate the movement of the correction discreteness and the projectile body according to the real roll information of the two parts袁 and a photoelectric encoder is used to correct the testing error of the geomagnetic module. Interaction between the onboard computer and simulation computer is controlled by the process control software袁 then袁 information needed in the simulation system can transmit successfully. By this way袁 accurate simulation of the brake control is obtained. Procedure of the simulation is also presented here袁 and experiment for a certain mortar is conducted. The experimental result shows that the simulation system can effectively test the guidance and control system of the fuze. Keywords: 2D course correction fuze曰 hardware -in-the -loop simulation曰 fixed-canards曰 guidance and control system
1冤干扰因素遥 依据气动参数计算误差尧制造工艺 误差等袁制定半实物仿真试验中干扰因素的偏差范 围如表 1 所示袁且干扰因素偏差满足均值为 0 的正 态分布遥
表 1 干扰因素及其偏差范围
序号
干扰因素及变量名
轴向力系数
法向力系数
侧向力系数
1 气动参数偏差 俯仰力矩系数
偏航力矩系数
滚转力矩系数
头部滚转力矩系数
第 42 卷第 9 期 2016 年 9 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.42 No.9 September，2016
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2016.09.017
二维弹道修正引信制导控制系统半实物仿真
王 毅袁 宋卫东袁 宋谢恩袁 吴汉洲
渊军械工程学院 精确制导技术研究所袁河北 石家庄 050003冤
摘 要院为给固定鸭舵式二维弹道修正引信设计适用的半实物仿真系统袁在掌握修正引信工作原理和研究引信运动
状态的基础上袁采用两部电机实时模拟引信修正组件和弹体滚转通道的姿态角信息袁并使用光电码盘标定地磁测角
模块的测角准确度袁在过程控制软件的协调下实现弹上计算机和仿真计算机的数据交互袁实现弹上机对固定舵制动
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2016冤09-0083-05
Hardware-in-the-loop simulation of G&C systems for 2D course correction fuze
WANG Yi袁 SONG Weidong袁 SONG Xie爷en袁 WU Hanzhou 渊Precision Guidance Technology Research Institute袁Ordnance Engineering College袁
0引言
炮兵制导弹药的发展受到各国军队的高度重
收稿日期院2015-09-19曰收到修改稿日期院2015-12-24 基金项目院十二五武器装备预研基金渊9140A0504213JB34069冤 作者简介：王 毅渊1986-冤袁男袁河南新郑市人袁博士研究生袁 研究方向为弹箭外弹道理论及应用技术遥
视袁库存常规弹药的信息化改造是当前面临的重要 课题遥 固定鸭舵式二维弹道修正引信具有活动部件 少尧可靠性高尧成本低尧可实现连续修正等特点袁替换 传统的常规引信即可实现弹箭的信息化改造遥
固定鸭舵式二维弹道修正引信采用双旋结构袁 即修正组件和安装在弹体上的引信尾部以不同的滚 转角速度绕弹轴旋转遥 在安装该型引信的某型弹箭 的飞行过程中袁引信修正组件和弹体以相反的角速 度滚转袁而常规的三轴转台和五轴转台不能同时输 出两个滚转角速度来模拟该型弹箭的实际飞行状 态袁并且模拟弹箭滚动状态的内轴的最大滚转角速度 小于飞行状态下弹箭的滚转角速度遥
4冤数 据 接 口 及 电 缆 院 连 接 相 关 试 验 设 备 进 行 通信遥
5冤数据记录仪院记录弹上机解算控制信号过程 中的相关数据遥 2.2 工作原理
二维弹道修正引信半实物仿真的核心在于模拟 弹上机对固定舵的制动控制遥 半实物仿真系统由软 件系统和硬件系统组成袁硬件系统包括弹上计算机尧 仿真计算机尧修正引信尧旋转试验台等袁软件系统包 括弹上机软件尧弹道解算软件尧过程控制软件等袁其 工作原理如图 4 所示院仿真试验启动后袁旋转试验台 依据弹箭固定舵和弹体的滚转角速度控制试验台两 电机的滚转袁从而模拟弹箭的真实滚转状态曰仿真计 算机依据相应的仿真初始条件进行弹道解算袁并向弹 上机传送 GPS 信息(84 系速度位置信息)曰弹上机实 时采集地磁模块测量的固定舵滚转角信息袁并在接 收 GPS 信息后袁依据制导率进行控制信号解算袁并通 过制动器将固定舵稳定在相应的控制角度袁同时将控 制标志位和固定舵滚转角传送给仿真计算机曰仿真 计算机接收控制标志位和固定舵滚转角后进行弹道 解算袁从而实现闭环仿真袁直至满足仿真结束条件遥
地磁测 姿模块
固定鸭舵 控制力矩 制动器
负载力矩 试验台头部电机
控制角 酌h 弹上计算机
实测姿态角酌赞 h
控制标志位 84 系速度 固定舵滚转角 位置信息
弹丸质心 运动模型
弹丸绕质心 运动模型
硬件 软件
仿真计算机
图 4 半实物仿真系统工作原理
仿真试验过程中袁弹箭速度尧位置信息和俯仰通 道及偏航通道的姿态信息均由仿真计算机生成并直 接应用于下一步的迭代计算遥
固定舵
天线 GPS 模块
地磁模块
弹上机
向相同袁可在来流作用下提供修正控制力袁从而调整 弹丸姿态实现弹道修正遥
弹箭 飞行 状态
弹体
固定舵
姿态角
GPS 测量信息 地磁模块 滚转角
控制力矩
Βιβλιοθήκη BaiduGPS 模块
速度 位置 信息
弹上机
控制 信号
制动器
图 2 制导控制系统工作原理
制导控制系统工作原理如图 2 所示遥 起控后袁 GPS 模块通过天线获取弹箭实时的速度尧 位置信息 并将其传送给弹上机袁同时袁地磁模块实时测量固定 舵的滚转角遥 弹上机实时接收导航信息后袁依据所设 计的制导率通过制动器将固定舵稳定在相应的控制 角度上袁从而改变弹体受力实现弹道修正遥
3 仿真试验
3.1 试验步骤 1冤干扰因素的确定遥 半实物仿真试验的试验条
件应涵盖在内的各种扰动因素袁包含极限条件遥 扰动 因素包括风干扰尧初始扰动尧初速偏差尧气动参数偏 差尧弹箭静态参数偏差尧制导工具误差等遥 扰动因素 的偏差依据弹箭的发射条件尧制造工艺尧制导工具的 具体情况确定遥
2冤开环控制试验遥 开环控制试验是指弹上机输 出固定的控制角以验证固定舵的控制效果是否满足 设计要求袁即检验固定舵控制的准确度和响应速度 是否满足要求遥 固定舵的响应速度由制动器的 PID 控制参数决定袁试验中可不断优化其控制参数遥
2 半实物仿真系统组成
2.1 系统组成 半实物仿真系统由仿真计算机尧旋转试验台尧数
据记录仪尧被测引信尧数据接口及电缆组成遥 各部分 功能如下院
1冤仿真计算机院运行半实物仿真软件遥 向弹上机 发送模拟的 GPS 信息曰接收弹上机传送的控制标志 位和固定舵的实际滚转角袁进行有控弹道解算曰记录 软件运行所需的仿真试验数据曰保证仿真试验的实 时性遥
为满足二维弹道修正引信制导控制系统研究的 迫切需要袁本文依据引信的工作原理和弹箭实际工作 状态设计了半实物仿真系统袁并通过试验验证半实 物仿真系统设计的合理性遥
1 二维弹道修正引信简介
固定鸭舵式二维弹道修正引信采用野北斗+地 磁冶的制导体制遥 引信除含有常规引信的功能部件之 外袁集成了天线尧固定舵尧GPS 模块尧地磁模块尧弹上 机尧制动器等组件袁如图 1 所示遥 固定舵由一对差动 舵和一对操纵舵构成袁差动舵舵偏方向不同袁使引信 修正组件在来流作用下相对于弹体以相反的角速度 滚转渊引信修正组件左旋袁弹体右旋冤曰操纵舵舵偏方
2冤旋转试验台院模拟弹箭飞行过程中固定舵的 控制过程遥 如图 3 所示袁修正引信通过螺纹连接安装 在引信安装盘上袁通过尾部摇架使引信修正组件卡在 修正组件卡盘上曰旋转试验台上有头部电机和尾部 电机袁分别用于模拟引信修正组件和弹体的滚转运 动曰试验台头部电机与引信修正组件连接的传动杆上 安装有光电码盘袁用于标定引信地磁模块的测角准
3冤闭环控制试验遥 闭环控制试验用于验证制导 率控制参数设计的合理性遥
4冤制导控制系统数学模型的修正遥 通过制导控 制系统的输入和输出建立制动控制系统的数学模 型袁对数学仿真模型进行修正袁然后通过蒙特卡洛打 靶验证弹箭的动稳定性和制导控制精度遥 3.2 试验结果
本文以安装固定鸭舵式二维弹道修正引信的某 型迫弹为例袁介绍某型二维弹道修正引信的制导控制 系统的半实物仿真试验遥
控制的有效模拟遥 研究二维弹道修正引信半实物仿真试验的试验步骤袁并针对某型迫弹进行仿真试验遥 仿真试验表
明院所设计的半实物仿真系统可有效检验引信制导控制系统各分系统和整机的性能遥 该半实物仿真系统适用于安装
该型引信的所有尾翼稳定弹箭袁对其他类型的采用双旋结构的制导弹箭具有借鉴意义遥
关键词院二维弹道修正引信曰半实物仿真曰固定鸭舵曰制导控制系统
半实物仿真是支持制导弹药研究的一种可行手 段袁涵盖制导弹药的全寿命周期袁可在缩短研发周期
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中国测试
2016 年 9 月
的同时节约研发成本[1-2]遥 美国在长弓/海尔法导弹的 研发过程中袁利用半实物仿真进行了 200 多万次的 导弹模拟飞行袁节约了多次导弹的实弹飞行袁并发现 了 40 多处研发过程中的错误模式袁大大缩短了导弹 的研发周期[3-4]遥 国内对半实物仿真也进行了深入的 研究遥 西北工业大学尧北京理工大学尧南京理工大学尧 航天二院等单位设计并应用了半实物仿真系统袁但 其所设计的仿真系统针对末制导中的红外目标模 拟尧激光目标模拟尧毫米波目标模拟等[5-9]遥
+8%
-8%
+15%
-15%
+15%
-15%
+15%
-15%
+15%
-15%
+0.5 kg -0.5 kg
光电码盘 修正引信 引信安装盘 尾部摇架
制动器
图 1 固定鸭舵式二维弹道修正引信示意图
头部电机 修正组件卡盘 尾部电机 图 3 旋转试验台
第 42 卷第 9 期
王 毅等：二维弹道修正引信制导控制系统半实物仿真
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确度遥 3冤被测引信院接收仿真计算机发送的 GPS 信息袁
实时测量固定舵的滚转角袁解算控制信号后对固定 舵进行控制袁同时向仿真计算机发送控制标志位和 固定舵的滚转角信息遥