周勇　甘新年　胡光波　鄭振

摘 要： 研究了智能魚雷控制系統(tǒng)多通道控制算法的實現(xiàn)和設(shè)計問題。為使自適應(yīng)控制理論在魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳控制效果和性能，設(shè)計了并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制理論能準(zhǔn)確實時調(diào)整控制加權(quán)系數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)自身性能與外界信息的匹配和溝通，達(dá)到最佳性能，并有效應(yīng)用于智能魚雷的控制平臺中。提出了一種基于自適應(yīng)控制理論的魚雷制導(dǎo)控制多通道加權(quán)算法，根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)；推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取等效控制律參考模型設(shè)計自適應(yīng)控制算法，并完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制品質(zhì)和精度較高，能有效應(yīng)用于魚雷制導(dǎo)控制設(shè)計中。

關(guān)鍵詞： 魚雷制導(dǎo)； 自適應(yīng)控制系統(tǒng)； 多通道控制算法； 誤差補償器

中圖分類號： TN911.7?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0014?04

Design of multi?channel control weight algorithm for torpedo control and guidance system

ZHOU Yong， GAN Xin?nian， HU Guang?bo， ZHENG Zhen

（Unit 91640 of PLA， Zhanjiang 524064， China）

Abstract： The multi?channel control algorithm for the intelligent torpedo control system is researched. A torpedo adaptive guidance control system of the parallel reference model was designed for reaching the optimal control effect and performance of the electrical control system based on the adaptive control theory. By means of the adaptive control theory， the precision and real?time adjustment of control weighting coefficient can be achieved， the matching and communication of the self performance and the out information can be implemented， and optimal performance can be realized. The adaptive control theory can be applied to the intelligent torpedo control system. A multi?channel weighting algorithm for torpedo guidance and control based on adaptive control theory is proposed. The error compensator is determined according to the multi?channel weighting control rule to make the stable error of the system to be limited in a small range. The state equation was derived. and the adaptive control algorithm was obtained according to the equivalent control law reference model. The hardware circuit design of the control system was completed. The experimental results show that the performance of the control system is stable， control quality and precision is high， and it can be applied to the torpedo guidance and control effectively.

Keywords： torpedo guidance； adaptive control system； multi channel control algorithm； error compersator

0 引 言

魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)主要由感知系統(tǒng)、驅(qū)動和執(zhí)行系統(tǒng)及控制中心單元等子系統(tǒng)組成[1]。其中感知系統(tǒng)是指由感知元件組成的獲取外界信息的感知器件，即傳感器。它猶如人類的手足耳目，通過感知器件實現(xiàn)外界有用信息的輸入，供中樞神經(jīng)系統(tǒng)即控制中心單元處理，為控制執(zhí)行單元提供執(zhí)行指導(dǎo)。傳感器將感知的物理信號，如聲、光、電、磁場、紅外、重力、加速度、距離等，通過換能轉(zhuǎn)化為供系統(tǒng)處理的原始輸入信號。實際應(yīng)用中，如某型智能魚雷的自導(dǎo)頭段的水聲換能器、導(dǎo)彈中的雷達(dá)系統(tǒng)等，都屬于傳感器，它通過敏感元件和換能器實現(xiàn)信號的檢測和輸入[2]。這是整個魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是進(jìn)行后續(xù)智能化機(jī)電一體控制的先導(dǎo)和前提；沒有感知系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)和環(huán)境信息的輸入，魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)就無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和攻擊目標(biāo)。驅(qū)動和執(zhí)行系統(tǒng)是魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的輸出機(jī)構(gòu)，由控制陀螺、繼電器、電磁閥及執(zhí)行電機(jī)等組成，通過電機(jī)終端輸出，實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的智能操作和控制[3]。控制中心單元是魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，相當(dāng)于人的大腦，把感知層獲得的檢測信號進(jìn)行處理，向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，使整個系統(tǒng)按既定的方案運轉(zhuǎn)?？刂浦行膯卧Ｓ玫奶幚砥饔袉纹瑱C(jī)、DSP、ARM等?？刂浦行膯卧陌l(fā)展水平某種程度上決定了魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的智能化水平[4]。

隨著智能化程度的不斷提高，魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)和控制精度的重要性日益突出，其控制精度對不同應(yīng)用層面的使用環(huán)境有不同的要求和工作機(jī)能。常見的人工智能控制有模糊技術(shù)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、粗糙集理論、免疫算法控制理論、遺傳算法控制理論和專家系統(tǒng)控制理論等。各種控制方法各有優(yōu)劣，針對應(yīng)用對象的不同而有所側(cè)重和偏頗；也有各種控制理論的相互補充和結(jié)合[5?10]。

本文提出了一種基于自適應(yīng)控制理論的魚雷制導(dǎo)控制多通道加權(quán)算法，自適應(yīng)系統(tǒng)是通過系統(tǒng)本身與外界的交換來改善和調(diào)整系統(tǒng)自身性質(zhì)或性能的系統(tǒng)。自適應(yīng)控制是一種反饋控制，本文將以設(shè)計某型智能魚雷武器控制系統(tǒng)為例，根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取等效控制律參考模型設(shè)計自適應(yīng)控制算法，并完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制品質(zhì)和精度較高，在魚雷制導(dǎo)控制設(shè)計中有較好的應(yīng)用價值。

1 自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)

1.1 總體構(gòu)成

自適應(yīng)控制目前還沒有一個公認(rèn)的完整定義，其基本思想可以概括為：在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)本身能不斷地、自動地檢測系統(tǒng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，通過系統(tǒng)本身與外界的交換來改善和調(diào)整統(tǒng)自身性質(zhì)或性能的系統(tǒng)；根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)或運行指標(biāo)的變化，按一定規(guī)律改變控制系統(tǒng)參數(shù)或控制機(jī)能，使系統(tǒng)處于最優(yōu)或接近最優(yōu)的工作狀態(tài)。因此自適應(yīng)控制也就是一種反饋控制，但要比一般的控制復(fù)雜得多，它是一種非線性時變反饋控制。自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如圖1所示。其中輸入?yún)?shù)為[u（n），][w*0，…，w*M]為自適應(yīng)調(diào)整的加權(quán)系數(shù)，輸出變量為[y（n）。]

1.2 自動校正控制模型

當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)處于不確定的狀態(tài)，而且魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)受到隨機(jī)干擾時，控制系統(tǒng)能根據(jù)測量到的被控系統(tǒng)的輸入輸出值，用在線識別的方法估計被控系統(tǒng)的參數(shù)和隨機(jī)干擾模型，根據(jù)其估計值，按系統(tǒng)的運行指標(biāo)隨時調(diào)整控制器參數(shù)，給出合適的控制信號，使得系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)。自動校正控制模型的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在自動校正控制系統(tǒng)模型中，需要解決的問題有：如何識別參數(shù)，如何通過最小二乘法、卡爾曼濾波法、增廣矩陣法等方法來估計系統(tǒng)的參數(shù)以及如何確定控制規(guī)律。本文使用最小方差法來確定控制規(guī)律，該方法的理論基礎(chǔ)在于最優(yōu)預(yù)報論和確定性等價原則等。

圖2 自校正魚雷控制模型

1.3 模型參考自適應(yīng)控制

在模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，研究者首先要基于需求在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個動態(tài)品質(zhì)良好的模型；系統(tǒng)運行過程中，依據(jù)要求和規(guī)律，設(shè)定合適的控制信號，使被控系統(tǒng)的動態(tài)特性與模型相一致。模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

圖3中，參考模型并聯(lián)于被控系統(tǒng)，因此稱之為并聯(lián)模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)，與之對應(yīng)的還有串聯(lián)系統(tǒng)、串并聯(lián)組合的模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。在伺服控制中常用的是并聯(lián)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)。設(shè)計模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)所依據(jù)的理論主要有參數(shù)優(yōu)化理論、Lyapunov穩(wěn)定性理論以及超穩(wěn)定性理論等，其中普遍使用的是超穩(wěn)定性理論?；谀Ｐ蛥⒖甲赃m應(yīng)系統(tǒng)，設(shè)計了一款基于自適應(yīng)控制理論的某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)設(shè)計，使某型智能魚雷能夠在自動控制系統(tǒng)的作用下，實施攻擊目標(biāo)要求的機(jī)動和航行，同時保證航行過程中的穩(wěn)定性能。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的設(shè)計并不是千篇一律的，而要根據(jù)具體的任務(wù)具體的應(yīng)用環(huán)境而具體分析。本設(shè)計以某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)為例，設(shè)計了一款某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計任務(wù)書

要結(jié)合總體設(shè)計要求，由于控制系統(tǒng)和總體設(shè)計之間密切相連相互制約。本文旨在設(shè)計一款某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)，在設(shè)計任務(wù)書編制階段，主要進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)論證，明確設(shè)計任務(wù)的一般要求與特殊要求，設(shè)計出的控制系統(tǒng)的各項參數(shù)指標(biāo)，既要滿足戰(zhàn)術(shù)性能，又要貼合實際，不能過分抬高指標(biāo)性能；另外，要注意各項指標(biāo)之間的關(guān)系，兼顧彼此。

設(shè)計任務(wù)書需要的一手（原始）資料有：總體性能，以某型智能魚雷武器為例，包括航速、航程、流體動力特性、結(jié)構(gòu)特性等；動力裝置系統(tǒng)特性；主要技術(shù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和戰(zhàn)術(shù)彈道；對控制裝置的要求：工作范圍、動態(tài)特性、精度、重量、體積、位置、環(huán)境條件等；現(xiàn)有相關(guān)某型智能魚雷武器裝備有關(guān)控制系統(tǒng)的工作原理、動作特點、實驗采集數(shù)據(jù)和實驗仿真曲線等。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

中央處理單元是整個魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的核心，也是魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)控制中心單元的核心，實現(xiàn)計算機(jī)和被控對象（本系統(tǒng)中的某型智能魚雷）之間信息的交換和傳輸以及控制信息的處理。在此設(shè)計階段，要著重考慮硬件和軟件系統(tǒng)的結(jié)合以及兼容性、可靠性、穩(wěn)定性等因素，以保證整個控制系統(tǒng)的正常有效運行。硬件設(shè)計主要包括接口設(shè)計、輸入輸出通道設(shè)計、其他邏輯電路、放大驅(qū)動電路和信號調(diào)理電路的設(shè)計等。

計算機(jī)軟件設(shè)計也是整個魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括系統(tǒng)的控制程序、數(shù)據(jù)信號采集和處理程序、巡回檢測程序。對于控制系統(tǒng)來說，軟件程序設(shè)計首要考慮實時性，沒有實時性的控制系統(tǒng)，無法有效抑制系統(tǒng)的誤差與延時。本文根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)。本系統(tǒng)根據(jù)魚雷進(jìn)行攻擊的實時性需求，需要在允許的時間范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行控制、計算和處理。控制系統(tǒng)軟件設(shè)計的另一個重要要求是針對性，及時對每個動作進(jìn)行針對性的單獨設(shè)計，選擇合適的控制算法，從而編制相應(yīng)的控制程序。

2.3 模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計

本文設(shè)計的魚雷制導(dǎo)控制器包含偏差、偏差變化率和偏差積分的三維多態(tài)自適應(yīng)控制器。設(shè)魚雷控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

[x1=x3x3=fθ（X，t）+gθ（X，t）u（t）+dθ（t）x2=x4x4=fx（X，t）+gx（X，t）u（t）+dx（t）] （1）

式中：[X=[θ，x，θ，x]T；][fx（X，t），][fθ（X，t），][gx（X，t），][gθ（X，t）]分別表示智能魚雷在航行控制中的干擾項，通過求得系統(tǒng)偏差和偏差變化率以及量化積分，求得控制量值域的量化值為：

[ueqx=Xm?Umλ（-fx-λxex-αex+x）（Amλgx+Bmgθ） ] （2）

式中：[Xm∈Rn，][Um∈Rm，][Am，][Bm]是相應(yīng)維數(shù)的控制權(quán)值系數(shù)。設(shè)前饋調(diào)節(jié)器為[K（t），]反饋調(diào)節(jié)器為[F（t），]得到模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示。綜上分析，分3步設(shè)計模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。

（1） 首先采用專家規(guī)則微分補償?shù)乃枷耄玫阶罴训难a償逼近函數(shù)，構(gòu)造最佳專家補償函數(shù)：

[ueqx=λ（-fx-λxex-αxσx+xd）（Amλgx+Bmgθ）] （3）

則等價的非線性時變反饋系統(tǒng)為：

[usw=-KsatS（t）μ（λgx+gθ）] （4）

（2） 確定自適應(yīng)控制規(guī)律，使得等價非線性時變反饋回路滿足波夫積分不等式：

[η（0，t1）=0t1vTwdt≥-r20] （5）

（3） 確定線性補償器，把魚雷控制數(shù)據(jù)的多狀態(tài)隨機(jī)分布特征變換到自適應(yīng)控制律[s]域中，得到：

[ （s2+λxs+αx）λex（s）+（s2+λθs+βθ）eθ（s）=λ（s+1+λx）ex（0）+（s+1+λθ）eθ（0）] （6）

其轉(zhuǎn)移概率函數(shù)矩陣為：

[H（s）=D[sI-Am]-1I] （7）

一般來說，所選取的參考模型都是漸進(jìn)穩(wěn)定的，可根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定補償器[D，]得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在：

[limt→∞e（t）=lims→0se（s）=limss→0（λex（s）+eθ（s））=lims→0λs（s+1+C）ex（0）s2+Cs+C+lims→0s（s+1+C）eθ（0）s2+Cs+C=0] （8）

由此確定的補償器[D]必須使得[H（s）]為嚴(yán)格正實矩陣，從而使等價非線性時變反饋系統(tǒng)全局漸進(jìn)穩(wěn)定，即：

[limt→∞e=0] （9）

完成控制律算法設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計后，下一步將進(jìn)行仿真分析和硬件實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)仿真實驗和結(jié)果分析

為了測試算法和系統(tǒng)設(shè)計性能，進(jìn)行仿真實驗。建立一個以某型智能魚雷為研究對象的魚雷制導(dǎo)控制器，設(shè)計物理模型和仿真環(huán)境，人為地創(chuàng)造與某型智能魚雷相一致的工作環(huán)境和條件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建；設(shè)計一款某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行性能分析和數(shù)字仿真研究；硬件電路設(shè)計中，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計要求，采用模型參考自適應(yīng)控制算法，確定輸入相關(guān)矩陣；系統(tǒng)控制律設(shè)計中，設(shè)定某型智能魚雷航向方程為：

[Vs=S（t）S（t）=KmS（λλxex+λθeθ+λex+eθ）δ=KmS（λλxex+λθeθ+λfx+λdx+fθ+dθ+（gθ+λgx）?（gθ+λgx）-1（-fθ-λθeθ+θd..-βσθ-Ksgn（Sμ）-λfx-λλxex+λxd-λασx））δ=S（λΔfx+Δfθ+λdx+dθ-λασx-βσθ-Ksgn（Sμ））δ≤-ηSμ-αλμ-βμ≤0]

式中：[Km]為控制律導(dǎo)引曲線偏差；[δ]為控制系統(tǒng)滑模干擾線性化處理融合度；[θ]為滑模誤差偏移角度，其中[sinθp=θp，][cosθp=1。]得到的自適應(yīng)系統(tǒng)的性能表面等高線圖如圖5所示，圖中等高線橢圓的主軸是輸入相關(guān)矩陣的特征向量。通過硬件設(shè)計要求得到的控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示，作為并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的主板電路。

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和數(shù)字仿真。軟件設(shè)計中，對某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的俯仰、偏航和橫滾3個通道單獨進(jìn)行設(shè)計，分別設(shè)計出控制算法，并得到俯仰、偏航和橫滾3個通道的控制系統(tǒng)輸出信號界面圖，如圖7所示。可以看出，本系統(tǒng)設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件界面，能夠很好地顯示出某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)3通道的控制過程，實時性好，準(zhǔn)確性高，具有良好的人機(jī)交互性，應(yīng)用性能較好。

4 結(jié) 論

基于自適應(yīng)信號處理原理，提出一種基于自適應(yīng)控制理論的魚雷制導(dǎo)控制多通道加權(quán)算法，設(shè)計出并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過自適應(yīng)系統(tǒng)本身與外界的交換來改善和調(diào)整系統(tǒng)自身性質(zhì)或性能的目標(biāo)。根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取等效控制律參考模型設(shè)計自適應(yīng)控制算法，完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。研究表明，本文設(shè)計的自適應(yīng)控制算法和魚雷指導(dǎo)控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，控制品質(zhì)和精度較高，在魚雷制導(dǎo)控制領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬，馬建軍，李文強(qiáng)，等.一類不確定非線性系統(tǒng)的改進(jìn)積分型滑?？刂芠J].控制與決策，2009（24）：1463?1472.

[2] 李鵬，孫未蒙，李文強(qiáng)，等.一種改進(jìn)積分滑模面在飛控中的應(yīng)用[J].控制工程，2010，17（3）：269?271.

[3] 楊興明，余忠宇.兩輪移動倒立擺的開關(guān)切換模糊極點配置控制器設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2012，17（4）：58?62.

[4] 李清玲.基于OPENGL的三維人體運動仿真[J].計算機(jī)仿真，2011，28（4）：270?273.

[5] LIANG Hong， HONG Kang， YANG Chang?sheng. Lattice structure adaptive IIR notch filter based on least square kurtosis [J]. Systems Engineering and Electronics， 2009， 20 （6）： 1188?1192.

[6] 張毅，周丙寅，胡光波.井下直線電機(jī)泵故障檢測儀硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（11）：162?166.

[7] 黃信安，劉剛.基于GPS的炮瞄雷達(dá)輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（1）：41?43.

[8] 王雪松，程玉虎，郝名林.基于細(xì)菌覓食行為的分布估計算法在預(yù)測控制中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報，2010，38（2）：333?338.

[9] 齊昕，周曉敏，馬祥華，等.感應(yīng)電機(jī)預(yù)測控制改進(jìn)算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2013，17（3）：62?69.

[10] 劉穎，蘇俊峰，朱明強(qiáng).基于迭代容積粒子濾波的蒙特卡洛定位算法[J].信息與控制，2013，42（5）：632?637.

[x1=x3x3=fθ（X，t）+gθ（X，t）u（t）+dθ（t）x2=x4x4=fx（X，t）+gx（X，t）u（t）+dx（t）] （1）

式中：[X=[θ，x，θ，x]T；][fx（X，t），][fθ（X，t），][gx（X，t），][gθ（X，t）]分別表示智能魚雷在航行控制中的干擾項，通過求得系統(tǒng)偏差和偏差變化率以及量化積分，求得控制量值域的量化值為：

[ueqx=Xm?Umλ（-fx-λxex-αex+x）（Amλgx+Bmgθ） ] （2）

式中：[Xm∈Rn，][Um∈Rm，][Am，][Bm]是相應(yīng)維數(shù)的控制權(quán)值系數(shù)。設(shè)前饋調(diào)節(jié)器為[K（t），]反饋調(diào)節(jié)器為[F（t），]得到模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示。綜上分析，分3步設(shè)計模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。

（1） 首先采用專家規(guī)則微分補償?shù)乃枷?，得到最佳的補償逼近函數(shù)，構(gòu)造最佳專家補償函數(shù)：

[ueqx=λ（-fx-λxex-αxσx+xd）（Amλgx+Bmgθ）] （3）

則等價的非線性時變反饋系統(tǒng)為：

[usw=-KsatS（t）μ（λgx+gθ）] （4）

（2） 確定自適應(yīng)控制規(guī)律，使得等價非線性時變反饋回路滿足波夫積分不等式：

[η（0，t1）=0t1vTwdt≥-r20] （5）

（3） 確定線性補償器，把魚雷控制數(shù)據(jù)的多狀態(tài)隨機(jī)分布特征變換到自適應(yīng)控制律[s]域中，得到：

[ （s2+λxs+αx）λex（s）+（s2+λθs+βθ）eθ（s）=λ（s+1+λx）ex（0）+（s+1+λθ）eθ（0）] （6）

其轉(zhuǎn)移概率函數(shù)矩陣為：

[H（s）=D[sI-Am]-1I] （7）

一般來說，所選取的參考模型都是漸進(jìn)穩(wěn)定的，可根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定補償器[D，]得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在：

[limt→∞e（t）=lims→0se（s）=limss→0（λex（s）+eθ（s））=lims→0λs（s+1+C）ex（0）s2+Cs+C+lims→0s（s+1+C）eθ（0）s2+Cs+C=0] （8）

由此確定的補償器[D]必須使得[H（s）]為嚴(yán)格正實矩陣，從而使等價非線性時變反饋系統(tǒng)全局漸進(jìn)穩(wěn)定，即：

[limt→∞e=0] （9）

完成控制律算法設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計后，下一步將進(jìn)行仿真分析和硬件實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)仿真實驗和結(jié)果分析

為了測試算法和系統(tǒng)設(shè)計性能，進(jìn)行仿真實驗。建立一個以某型智能魚雷為研究對象的魚雷制導(dǎo)控制器，設(shè)計物理模型和仿真環(huán)境，人為地創(chuàng)造與某型智能魚雷相一致的工作環(huán)境和條件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建；設(shè)計一款某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行性能分析和數(shù)字仿真研究；硬件電路設(shè)計中，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計要求，采用模型參考自適應(yīng)控制算法，確定輸入相關(guān)矩陣；系統(tǒng)控制律設(shè)計中，設(shè)定某型智能魚雷航向方程為：

[Vs=S（t）S（t）=KmS（λλxex+λθeθ+λex+eθ）δ=KmS（λλxex+λθeθ+λfx+λdx+fθ+dθ+（gθ+λgx）?（gθ+λgx）-1（-fθ-λθeθ+θd..-βσθ-Ksgn（Sμ）-λfx-λλxex+λxd-λασx））δ=S（λΔfx+Δfθ+λdx+dθ-λασx-βσθ-Ksgn（Sμ））δ≤-ηSμ-αλμ-βμ≤0]

式中：[Km]為控制律導(dǎo)引曲線偏差；[δ]為控制系統(tǒng)滑模干擾線性化處理融合度；[θ]為滑模誤差偏移角度，其中[sinθp=θp，][cosθp=1。]得到的自適應(yīng)系統(tǒng)的性能表面等高線圖如圖5所示，圖中等高線橢圓的主軸是輸入相關(guān)矩陣的特征向量。通過硬件設(shè)計要求得到的控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示，作為并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的主板電路。

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和數(shù)字仿真。軟件設(shè)計中，對某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的俯仰、偏航和橫滾3個通道單獨進(jìn)行設(shè)計，分別設(shè)計出控制算法，并得到俯仰、偏航和橫滾3個通道的控制系統(tǒng)輸出信號界面圖，如圖7所示?？梢钥闯觯鞠到y(tǒng)設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件界面，能夠很好地顯示出某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)3通道的控制過程，實時性好，準(zhǔn)確性高，具有良好的人機(jī)交互性，應(yīng)用性能較好。

4 結(jié) 論

基于自適應(yīng)信號處理原理，提出一種基于自適應(yīng)控制理論的魚雷制導(dǎo)控制多通道加權(quán)算法，設(shè)計出并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過自適應(yīng)系統(tǒng)本身與外界的交換來改善和調(diào)整系統(tǒng)自身性質(zhì)或性能的目標(biāo)。根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取等效控制律參考模型設(shè)計自適應(yīng)控制算法，完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。研究表明，本文設(shè)計的自適應(yīng)控制算法和魚雷指導(dǎo)控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，控制品質(zhì)和精度較高，在魚雷制導(dǎo)控制領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬，馬建軍，李文強(qiáng)，等.一類不確定非線性系統(tǒng)的改進(jìn)積分型滑?？刂芠J].控制與決策，2009（24）：1463?1472.

[2] 李鵬，孫未蒙，李文強(qiáng)，等.一種改進(jìn)積分滑模面在飛控中的應(yīng)用[J].控制工程，2010，17（3）：269?271.

[3] 楊興明，余忠宇.兩輪移動倒立擺的開關(guān)切換模糊極點配置控制器設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2012，17（4）：58?62.

[4] 李清玲.基于OPENGL的三維人體運動仿真[J].計算機(jī)仿真，2011，28（4）：270?273.

[5] LIANG Hong， HONG Kang， YANG Chang?sheng. Lattice structure adaptive IIR notch filter based on least square kurtosis [J]. Systems Engineering and Electronics， 2009， 20 （6）： 1188?1192.

[6] 張毅，周丙寅，胡光波.井下直線電機(jī)泵故障檢測儀硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（11）：162?166.

[7] 黃信安，劉剛.基于GPS的炮瞄雷達(dá)輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（1）：41?43.

[8] 王雪松，程玉虎，郝名林.基于細(xì)菌覓食行為的分布估計算法在預(yù)測控制中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報，2010，38（2）：333?338.

[9] 齊昕，周曉敏，馬祥華，等.感應(yīng)電機(jī)預(yù)測控制改進(jìn)算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2013，17（3）：62?69.

[10] 劉穎，蘇俊峰，朱明強(qiáng).基于迭代容積粒子濾波的蒙特卡洛定位算法[J].信息與控制，2013，42（5）：632?637.

[x1=x3x3=fθ（X，t）+gθ（X，t）u（t）+dθ（t）x2=x4x4=fx（X，t）+gx（X，t）u（t）+dx（t）] （1）

式中：[X=[θ，x，θ，x]T；][fx（X，t），][fθ（X，t），][gx（X，t），][gθ（X，t）]分別表示智能魚雷在航行控制中的干擾項，通過求得系統(tǒng)偏差和偏差變化率以及量化積分，求得控制量值域的量化值為：

[ueqx=Xm?Umλ（-fx-λxex-αex+x）（Amλgx+Bmgθ） ] （2）

式中：[Xm∈Rn，][Um∈Rm，][Am，][Bm]是相應(yīng)維數(shù)的控制權(quán)值系數(shù)。設(shè)前饋調(diào)節(jié)器為[K（t），]反饋調(diào)節(jié)器為[F（t），]得到模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)框圖，如圖4所示。綜上分析，分3步設(shè)計模型參考自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)。

（1） 首先采用專家規(guī)則微分補償?shù)乃枷?，得到最佳的補償逼近函數(shù)，構(gòu)造最佳專家補償函數(shù)：

[ueqx=λ（-fx-λxex-αxσx+xd）（Amλgx+Bmgθ）] （3）

則等價的非線性時變反饋系統(tǒng)為：

[usw=-KsatS（t）μ（λgx+gθ）] （4）

（2） 確定自適應(yīng)控制規(guī)律，使得等價非線性時變反饋回路滿足波夫積分不等式：

[η（0，t1）=0t1vTwdt≥-r20] （5）

（3） 確定線性補償器，把魚雷控制數(shù)據(jù)的多狀態(tài)隨機(jī)分布特征變換到自適應(yīng)控制律[s]域中，得到：

[ （s2+λxs+αx）λex（s）+（s2+λθs+βθ）eθ（s）=λ（s+1+λx）ex（0）+（s+1+λθ）eθ（0）] （6）

其轉(zhuǎn)移概率函數(shù)矩陣為：

[H（s）=D[sI-Am]-1I] （7）

一般來說，所選取的參考模型都是漸進(jìn)穩(wěn)定的，可根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定補償器[D，]得到系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在：

[limt→∞e（t）=lims→0se（s）=limss→0（λex（s）+eθ（s））=lims→0λs（s+1+C）ex（0）s2+Cs+C+lims→0s（s+1+C）eθ（0）s2+Cs+C=0] （8）

由此確定的補償器[D]必須使得[H（s）]為嚴(yán)格正實矩陣，從而使等價非線性時變反饋系統(tǒng)全局漸進(jìn)穩(wěn)定，即：

[limt→∞e=0] （9）

完成控制律算法設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計后，下一步將進(jìn)行仿真分析和硬件實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)仿真實驗和結(jié)果分析

為了測試算法和系統(tǒng)設(shè)計性能，進(jìn)行仿真實驗。建立一個以某型智能魚雷為研究對象的魚雷制導(dǎo)控制器，設(shè)計物理模型和仿真環(huán)境，人為地創(chuàng)造與某型智能魚雷相一致的工作環(huán)境和條件，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建；設(shè)計一款某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行性能分析和數(shù)字仿真研究；硬件電路設(shè)計中，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計要求，采用模型參考自適應(yīng)控制算法，確定輸入相關(guān)矩陣；系統(tǒng)控制律設(shè)計中，設(shè)定某型智能魚雷航向方程為：

[Vs=S（t）S（t）=KmS（λλxex+λθeθ+λex+eθ）δ=KmS（λλxex+λθeθ+λfx+λdx+fθ+dθ+（gθ+λgx）?（gθ+λgx）-1（-fθ-λθeθ+θd..-βσθ-Ksgn（Sμ）-λfx-λλxex+λxd-λασx））δ=S（λΔfx+Δfθ+λdx+dθ-λασx-βσθ-Ksgn（Sμ））δ≤-ηSμ-αλμ-βμ≤0]

式中：[Km]為控制律導(dǎo)引曲線偏差；[δ]為控制系統(tǒng)滑模干擾線性化處理融合度；[θ]為滑模誤差偏移角度，其中[sinθp=θp，][cosθp=1。]得到的自適應(yīng)系統(tǒng)的性能表面等高線圖如圖5所示，圖中等高線橢圓的主軸是輸入相關(guān)矩陣的特征向量。通過硬件設(shè)計要求得到的控制系統(tǒng)電路圖如圖6所示，作為并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的主板電路。

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和數(shù)字仿真。軟件設(shè)計中，對某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)的俯仰、偏航和橫滾3個通道單獨進(jìn)行設(shè)計，分別設(shè)計出控制算法，并得到俯仰、偏航和橫滾3個通道的控制系統(tǒng)輸出信號界面圖，如圖7所示?？梢钥闯觯鞠到y(tǒng)設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件界面，能夠很好地顯示出某型智能魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)3通道的控制過程，實時性好，準(zhǔn)確性高，具有良好的人機(jī)交互性，應(yīng)用性能較好。

4 結(jié) 論

基于自適應(yīng)信號處理原理，提出一種基于自適應(yīng)控制理論的魚雷制導(dǎo)控制多通道加權(quán)算法，設(shè)計出并聯(lián)參考模型自適應(yīng)魚雷制導(dǎo)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過自適應(yīng)系統(tǒng)本身與外界的交換來改善和調(diào)整系統(tǒng)自身性質(zhì)或性能的目標(biāo)。根據(jù)自適應(yīng)多通道加權(quán)控制律，確定誤差補償器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差限定在較小范圍內(nèi)，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程，選取等效控制律參考模型設(shè)計自適應(yīng)控制算法，完成控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。研究表明，本文設(shè)計的自適應(yīng)控制算法和魚雷指導(dǎo)控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，控制品質(zhì)和精度較高，在魚雷制導(dǎo)控制領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬，馬建軍，李文強(qiáng)，等.一類不確定非線性系統(tǒng)的改進(jìn)積分型滑?？刂芠J].控制與決策，2009（24）：1463?1472.

[2] 李鵬，孫未蒙，李文強(qiáng)，等.一種改進(jìn)積分滑模面在飛控中的應(yīng)用[J].控制工程，2010，17（3）：269?271.

[3] 楊興明，余忠宇.兩輪移動倒立擺的開關(guān)切換模糊極點配置控制器設(shè)計[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報，2012，17（4）：58?62.

[4] 李清玲.基于OPENGL的三維人體運動仿真[J].計算機(jī)仿真，2011，28（4）：270?273.

[5] LIANG Hong， HONG Kang， YANG Chang?sheng. Lattice structure adaptive IIR notch filter based on least square kurtosis [J]. Systems Engineering and Electronics， 2009， 20 （6）： 1188?1192.

[6] 張毅，周丙寅，胡光波.井下直線電機(jī)泵故障檢測儀硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（11）：162?166.

[7] 黃信安，劉剛.基于GPS的炮瞄雷達(dá)輔助引導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（1）：41?43.

[8] 王雪松，程玉虎，郝名林.基于細(xì)菌覓食行為的分布估計算法在預(yù)測控制中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報，2010，38（2）：333?338.

[9] 齊昕，周曉敏，馬祥華，等.感應(yīng)電機(jī)預(yù)測控制改進(jìn)算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2013，17（3）：62?69.

[10] 劉穎，蘇俊峰，朱明強(qiáng).基于迭代容積粒子濾波的蒙特卡洛定位算法[J].信息與控制，2013，42（5）：632?637.