（沈陽理工大學(xué)兵器科學(xué)研究中心，遼寧 沈陽 110159）

二維彈道修正是指對彈丸橫向和縱向兩個(gè)方向均進(jìn)行修正，主要以修正橫向?yàn)橹?，通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸飛向目標(biāo)[1]。修正舵機(jī)減旋是高旋穩(wěn)定彈丸修正的關(guān)鍵，減旋的目的是提高修正的準(zhǔn)確度和降低修正的難度。通過調(diào)整修正彈舵機(jī)在空中飛行時(shí)的不同空中姿態(tài)（相對于大地）和垂直舵機(jī)表面的氣動(dòng)力來改變修正彈的飛行軌跡，使其按照標(biāo)準(zhǔn)彈道飛行。彈丸在飛行的過程中，舵機(jī)一直處于高速旋轉(zhuǎn)，只有彈丸飛行到可修段（速度小于2馬赫）時(shí)，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)彈丸在飛行過程中修正舵機(jī)的減旋，使舵機(jī)保持在相對較低的轉(zhuǎn)速(60 r/min～120 r/min)下轉(zhuǎn)動(dòng)。彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)測彈丸坐標(biāo)及彈道偏差，解算出修正量，控制系統(tǒng)再控制彈上修正舵機(jī)根據(jù)修正量的大小和方向進(jìn)行有限次的不連續(xù)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對彈丸在縱向和橫向上的修正。通過對修正鴨舵的工作原理及其受力分析提出了彈道修正彈的控制策略，所設(shè)計(jì)的彈道修正機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制控制系統(tǒng)能夠達(dá)到修正彈的基本要求，為高速旋轉(zhuǎn)彈丸的二維修正提供了參考依據(jù)。

1 修正彈的總體結(jié)構(gòu)

1.1 修正舵機(jī)的結(jié)構(gòu)布局

修正舵機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，彈道修正彈的設(shè)計(jì)是在原有的“笨蛋”頭部安裝個(gè)具有修正能力的修正裝置，把它改裝成智能控制彈藥。修正舵機(jī)采用空氣動(dòng)力鴨式舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，修正系統(tǒng)由修正部、姿態(tài)測量與導(dǎo)航裝置和控制部三部分組成。

圖1修正舵機(jī)結(jié)構(gòu)布局圖

修正部分通過深溝球軸承與控制部分相連，軸承起到隔離轉(zhuǎn)速作用，因此兩者能夠相互自由旋轉(zhuǎn)。控制部的主體結(jié)構(gòu)安裝在彈體內(nèi)部，控制部分內(nèi)裝有防過載的緩沖裝置，能夠有效地減少修正部件、控制部中的電子元器件和電機(jī)在彈丸發(fā)射時(shí)所受到的沖擊力?？紤]到彈載全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)組合制導(dǎo)需要在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，測量信號狀態(tài)穩(wěn)定性，姿態(tài)探測與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)裝在修正機(jī)構(gòu)的內(nèi)部。根據(jù)控制方案要求，修正舵機(jī)需在彈丸的飛行過程中處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以把姿態(tài)測量與導(dǎo)航裝置放置在修正部內(nèi)腔里更能有效地檢測修正舵機(jī)的空間信息。

1.2 鴨舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)

固定式鴨舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是通過彈體姿態(tài)控制指令使舵機(jī)帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，從而改變彈體的飛行姿態(tài)，并利用空氣阻力改變彈丸的飛行速度[6]。

修正彈控制部分的舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，十字型鴨舵包含一對操縱舵和一對偏航舵，其中1號舵片和3號舵片以某一固定的舵偏角同向平行安裝，稱為操縱舵。當(dāng)需要修正時(shí)，舵機(jī)會(huì)根據(jù)彈載計(jì)算機(jī)的控制指令控制1號舵片和3號舵片的位置，使其為彈丸提供相應(yīng)的飛行控制力。2號舵片和4號舵片為一對以某一舵偏角反向差動(dòng)安裝的舵片，稱為偏航舵。偏航舵的偏角為6°，其作用是在彈丸處于無控飛行階段，為彈體頭部提供與彈丸旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩。

圖2十字鴨舵結(jié)構(gòu)

2 修正舵機(jī)修正力矩分析

當(dāng)彈丸出膛后，修正舵機(jī)不僅受升力和阻力作用，而且受到舵翼旋轉(zhuǎn)形成的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩與軸承摩擦力矩共同作用，在修正時(shí)會(huì)受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用。這些力和力矩所形成的合力矩使得修正舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到最佳修正位置，鴨舵所受力矩如圖3所示。

圖3 鴨舵力矩分析圖

修正舵機(jī)系統(tǒng)為一慣性系統(tǒng)，其輸出與輸入無直接關(guān)系[7]，故在進(jìn)行修正舵機(jī)停止某角度控制時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是必須要考慮的因素。根據(jù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動(dòng)能定理：

整理式（2）可得目標(biāo)角度的表達(dá)式：

式中：θ為目標(biāo)停止角度，單位為(°)；J為舵機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 kg·m2；ω1，ω2為舵片停止前后的角速度，角速度單位為rad/s；Me為電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；M1為軸承摩擦力矩和慣性力矩之和，單位為N·m；M2為風(fēng)阻力矩，單位為 N·m.其中，J，M2經(jīng)過對樣機(jī)多次試驗(yàn)測量計(jì)算出的合理數(shù)據(jù)。

彈載GPS和INS組合制導(dǎo)檢測彈丸的飛行姿態(tài)，達(dá)到修正條件，彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出修正控制命令控制系統(tǒng)以當(dāng)前的各參數(shù)解算出停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需的時(shí)間與該時(shí)間內(nèi)標(biāo)定舵片所需轉(zhuǎn)過的角度θ.如圖4所示，然后標(biāo)定舵機(jī)在下一次旋轉(zhuǎn)到預(yù)調(diào)整位置時(shí)提前θ角度，修正力矩作用執(zhí)行停止旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖4舵機(jī)角度控制示意圖

3 控制策略及實(shí)驗(yàn)分析

修正舵機(jī)采用永磁同步直流電機(jī)作為控制電機(jī)，控制方式為斬波調(diào)壓，改變輸出PWM波占空比調(diào)整電樞回路電流，從而改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力矩，直到達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)完成減旋過程，進(jìn)而通過控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩使模擬舵機(jī)停止到某一預(yù)設(shè)角度。

永磁直流無刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的控制策略理論上已經(jīng)比較完善，比如傳統(tǒng)的PID控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、采用微分幾何理論的解耦控制、模型參考自適應(yīng)控制等，這些控制策略都可以使系統(tǒng)性能得到改善和提高。但這些理論仍然建立在對象精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，有的需要大量的傳感器、觀測器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。由于修正彈彈丸內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間的局限性，致使電機(jī)的控制系統(tǒng)不能太過復(fù)雜，但是修正舵機(jī)又需要較高精度的控制，故本文采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)(見圖5)，一方面減少了系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)也滿足舵機(jī)修正精度的要求。

圖5直流無刷電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

采用雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)速度環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)兩者之間實(shí)行串行聯(lián)接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)的輸入，電流采樣為電流負(fù)反饋提供信息，這樣的控制方式可以使電機(jī)控制系統(tǒng)能夠滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的基本要求[6]。在用電流調(diào)節(jié)的輸出去改變輸入電壓，最終都是通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)控制。通過光電編碼器提供電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速等信息反饋到控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)修正電機(jī)的位置姿態(tài)調(diào)整。

舵機(jī)系統(tǒng)的控制方法在考慮軸承摩擦力矩和慣性力矩對系統(tǒng)的影響情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1舵片修正角度偏差

由表1可知，角度偏差在7.5°范圍內(nèi)，很大程度地提高了舵機(jī)修正精度。角度偏差數(shù)據(jù)分析表明，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越大舵片停止角度偏差呈增大趨勢，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到7200時(shí)角度偏差為7.5°。舵機(jī)修正原理是通過有限次不連續(xù)的動(dòng)作來完成對舵片的控制，從而達(dá)到二維修正的目標(biāo)。該系統(tǒng)在一定精度上實(shí)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)彈的二維修正，為后續(xù)高精度的舵機(jī)修正系統(tǒng)的研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種彈道修正彈電動(dòng)舵機(jī)減旋和停止角度的控制方法，通過理論分析和平臺實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。所設(shè)計(jì)的彈道修正機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制控制系統(tǒng)能夠達(dá)到修正彈的基本要求，結(jié)果表明該控制方法人為機(jī)械特性好，并能夠達(dá)到相應(yīng)的控制準(zhǔn)確性，良好的快速性和穩(wěn)定性，基本能夠達(dá)到二維彈道修正系統(tǒng)對氣動(dòng)舵機(jī)的控制要求，為后續(xù)的彈道修正的進(jìn)一步研究提供了很好的參考依據(jù)。

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