导弹制导及控制系统组成原理

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1、. .航空航天大学制导与控制系统原理实验名称导弹制导与控制系统组成原理学号姓名完成时间2021年11月14日一、 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. 实验准备理论根底：学习过导弹制导与控制系统原理等相关课程。软件根底：熟悉MATLAB等相关软件。2. 实验设计要求学生熟练应用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信号。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

2、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。稳定回路常含有校正装置，用以保证其有较高的控制质量。图3.1 导弹制导系统的组成及原理框图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。其简化原理构造图如下：1.

3、 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。其等效构造图如下：图3.2 电机构造图电动机的角速度：，其中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抑制摩擦力矩，假定只考虑与速度成正比的粘性摩擦，那么直流力矩电机转矩平衡方程为： (2)式中：Jges：折算到电动机轴上的总的转动惯量 Jges= Jm + JextJm：电动机电枢的转动惯量Jext ：折算到电动机轴上的外部转动

4、惯量：电动机轴的角位移radB：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比，即 (3) 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： (4)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展拉氏变换，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 芯片部构造和扩流电路，电流环的Simulink 构造图如下：图3.3 电流环 Simulink 框图其中与构成UC3637部误差放大器模型;PWM

5、和电动机模型：; Rs/R4:C3637部电流传感放大器系数；UC3637 部电流滤波器模型:；模型各参数定义如下：:电枢电阻12.9 ;B:粘性摩擦系数;:电枢电感5.3mH;K1：UC3637 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*；:为测速发电机速度反响信号的滤波时间常数，由C3，R22，R23 决定.(6)：PWM 放大器的直流放大系数,假设忽略UC3637H 型功率转换电路的Uce.sat和二极管的Ube，那么. 其中：电源电压24V；：参考电压。=8V；Rs：限流电阻3；Km:电机的转矩系数。；Jges：电枢的转动惯量。Jges=26.

6、46*。UC3637 部H型输出级桥臂晶体管开启延迟可防止切换瞬间的共态直通现象，由C10 决定开启延迟时间的大小：；：UC3637部电阻，约为1.5K；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：(7)那么电流环的闭环传递函数为： (8)其中：(9)(10)为了使电流环实现最正确阻尼，选择阻尼系数,电流环的闭环传递函数为： (11)根据参数可求出R,C,的值。各值为：R=1.25k；C=3.28*f；=510；=92nf。将各参数代入上式得电流环模型为：

7、(12)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 构造图如下：其中，Subsystem1 为电流环，Subsystem 为控制器。速度环控制对象模型： (13)四、 实验容及实验结果1. 为速度环设计PID控制器：1) Simulink构造图速度环的控制作用是使得电流环的输出跟踪其输入信号，利用MATLAB中的PID controller模块，其仿真构造图如下：图1.1 速度环仿真构造图设计PID控制器的参数：P=2; I=25; D=0.01;2) 仿真结果在输入

8、幅度为10的阶跃信号时的输出结果图：图1.2 速度环仿真输出图2. 在1的根底上为位置环设计PID调节器：1) Simulink构造图为位置环设计PID控制器，利用MATLAB中的PID controller模块，设计仿真构造图如下：图1.2 位置环仿真构造图其中，设计位置环PID控制器的参数：P=25; I=2; D=0.01;2) 仿真结果在输入幅度为10的阶跃信号时的输出结果图：图2.2 位置环仿真输出图3. 在1的根底上分析PID参数对系统性能的影响1) 比例环节：引入比例控制能迅速反响误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的增大可以提高系统的响应速度，和

9、系统的调节精度，但过大的比例放大系数可能会使系统产生超调，稳定性变差，甚至导致系统不稳定。2) 比例环节：引入积分控制能减小稳态误差。积分系数越大态误差消除的越快。但是过大的积分系数会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。在积分控制中，控制系统的输出与输入误差信号的积分成正比关系。3) 微分环节：引入微分控制可以减小超调量，抑制振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。但是微分器会引入高频噪声，微分系数也不宜过大。4. 比较PID调节器与模糊控制器以及神经网络控制器对系统控制效果的影响PID控制器对简单的系统具有良好的控制效果，设计简单，响应速度

10、快。但对于过于复杂或难以准确描述的系统，PID控制器的设计过于复杂。模糊控制与神经网络控制抑制了PID控制器的缺点，简化系统设计的复杂性，特别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制。但模糊控制同时也导致系统的控制精度降低和动态品质变差。假设要提高精度就必然增加量化级数，导致规那么搜索围扩大，降低决策速度，甚至不能进展实时控制。五、 实验总结这次实验使我加深了对于制导与控制系统组成的了解，明确了各环路控制的层次，控制器组成和设计方法。制导与控制系统是复杂的相互耦合的多回路系统，但是通过简化方法可以分成多个通道，具体的通道数视导弹的情况而定。每个通道环总是控制姿态，也就是保证绕心运动的稳定，再由外环控制位置，控制质心运动，实现制导。同时我回忆了MATLAB和Simulink的使用，从搭建模型到仿真分析的过程。我也查找了有关PID整定的资料，了解了PID各个参数的作用和整定方法。最终，为了比照模糊控制、神经网络控制和PID控制，我查找了有关文献，学习了三者的差异，加深了我对于各种控制方式的理解。教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。优选