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教学实施：教学实施：0.概述概述1.反导导弹系统反导导弹系统2.弹道导弹系统弹道导弹系统3.飞航导弹系统飞航导弹系统4.数字控制系统数字控制系统5.其他技术及工程问题其他技术及工程问题0.概述概述1.弹道设计弹道设计2.纵向控制系统纵向控制系统3.侧向控制系统侧向控制系统 也称巡航导弹，自也称巡航导弹，自“V-1”问世起已有问世起已有60多年历史。二次世多年历史。二次世界大战后期、界大战后期、1967年中东战争、年中东战争、1982年英阿马岛之战、年英阿马岛之战、1991年海湾战争中，飞航导弹都有过卓越战绩。目前研究和装备飞年海湾战争中，飞航导弹都有过卓越战绩。目前研究和装备飞航导弹的国家越来越多，航导弹的国家越来越多，研究重点和技术途径有较大差异研究重点和技术途径有较大差异。新一代飞航导弹，都具有新一代飞航导弹，都具有“尺寸小、质量轻、精度高、尺寸小、质量轻、精度高、超低超低空、变弹道空、变弹道”等优点，同时贯彻等优点，同时贯彻模块化模块化设计思想，同一导弹可设计思想，同一导弹可用于不同发射平台，实现一弹多用。用于不同发射平台，实现一弹多用。V-1导弹导弹 飞航导弹是一种以火箭发动机或吸气式发动机为动力，装有飞航导弹是一种以火箭发动机或吸气式发动机为动力，装有战斗部的自控飞行器。所谓战斗部的自控飞行器。所谓“飞航飞航”是指导弹在升力与重力、是指导弹在升力与重力、推力与阻力大致平衡的条件下，以某一最经济或特定的高度和推力与阻力大致平衡的条件下，以某一最经济或特定的高度和速度持续飞行的方式。速度持续飞行的方式。通常把携带核弹头、打击战略目标的远程飞航导弹称为通常把携带核弹头、打击战略目标的远程飞航导弹称为战略战略巡航导弹巡航导弹，其它飞航导弹则通称为，其它飞航导弹则通称为战术巡航导弹战术巡航导弹。按发射平台和目标位置，可区分为按发射平台和目标位置，可区分为地对地地对地、岸对舰岸对舰、空对舰空对舰、空对地空对地、舰舰/潜对舰潜对舰、反坦克导弹等。、反坦克导弹等。战斧导弹战斧导弹布拉莫斯导弹布拉莫斯导弹 1)一弹多用、通用性强：战略与战术兼容，各军种通用一弹多用、通用性强：战略与战术兼容，各军种通用 发射平台发射平台+航程范围航程范围+导引头导引头+战斗部战斗部+目标目标 2)体积小，质量轻，机动灵活，生存力强体积小，质量轻，机动灵活，生存力强 3)命中精度高，抗扰能力强，摧毁威力大命中精度高，抗扰能力强，摧毁威力大 组合制导组合制导+自主飞行自主飞行 4)变弹道机动，超低空飞行，突防能力强变弹道机动，超低空飞行，突防能力强 航迹规划航迹规划+隐身技术隐身技术p 飞行速度慢，飞行高度低，弹道呈直线，航线由程序设定，飞行速度慢，飞行高度低，弹道呈直线，航线由程序设定，在目标区域无垂直机动，发现后易遭拦截。在目标区域无垂直机动，发现后易遭拦截。p GPS/测高仪易受干扰。伊拉克战争中多次受扰致误伤事故。测高仪易受干扰。伊拉克战争中多次受扰致误伤事故。p 地貌数据信息精度不高，难于保障对小丘陵等绕障飞行。地貌数据信息精度不高，难于保障对小丘陵等绕障飞行。p 导弹会因地形、季节、天气变化和输入信息老化而迷航。导弹会因地形、季节、天气变化和输入信息老化而迷航。张将军名言：张将军名言：AK-47打战斧？打战斧？大射程、高速度大射程、高速度 冲压推进冲压推进 精确化、智能化精确化、智能化 隐形化隐形化超声速飞行超声速飞行超低空超低空/高弹道高弹道(1)飞行弹道分析与选择：飞行弹道分析与选择：飞行弹道设计，就是选定一条自发射点到目标的理想飞行飞行弹道设计，就是选定一条自发射点到目标的理想飞行轨迹。飞行弹道设计的好坏，直接影响导弹的性能指标、命轨迹。飞行弹道设计的好坏，直接影响导弹的性能指标、命中率及工程实现难易。中率及工程实现难易。p 验证飞行速度验证飞行速度/巡航高度巡航高度/射程等射程等p 协调速度协调速度/高度高度/射程与起飞质量的关系射程与起飞质量的关系p 协调速度协调速度/高度与突防能力的关系高度与突防能力的关系p 协调发动机工作范围协调发动机工作范围/气动加热与结构气动加热与结构/热防护的关系热防护的关系高弹道高弹道低弹道低弹道高速度高速度低速度低速度(1)飞行弹道分析与选择：飞行弹道分析与选择：弹道特点：始终在稠密大气层内飞行，弹道主要部分是定弹道特点：始终在稠密大气层内飞行，弹道主要部分是定高巡航飞行。高巡航飞行。p 初始段：发射初始段：发射-预定飞行高度；方案飞行预定飞行高度；方案飞行p 平飞段：等高等速飞行；方案平飞段：等高等速飞行；方案/自动飞行自动飞行p 攻击段：俯冲攻击；自动导引攻击段：俯冲攻击；自动导引纵向典型弹道纵向典型弹道侧向典型弹道侧向典型弹道法国法国/意大利奥托马特导弹：意大利奥托马特导弹：中程反舰导弹中程反舰导弹100180kmp方案方案+导引弹道导引弹道p超低空飞行超低空飞行p提高突防能力提高突防能力法国飞鱼导弹法国飞鱼导弹奥托马特导弹奥托马特导弹巡航高度巡航高度315m法国飞鱼导弹：法国飞鱼导弹：近程反舰导弹近程反舰导弹5070kmp全程方案弹道全程方案弹道p逐次降高逐次降高p提高突防能力和命中率提高突防能力和命中率(2)制导系统选择制导系统选择 制导系统任务是控制导弹准确飞向目标。测量制导系统任务是控制导弹准确飞向目标。测量+制导制导 巡航段终点散布及命中目标精度要求是系统选择依据。巡航段终点散布及命中目标精度要求是系统选择依据。巡航段飞行时间、距离长，偏差及风影响会造成飞行轨迹巡航段飞行时间、距离长，偏差及风影响会造成飞行轨迹偏差，需要选择合适的制导系统，来满足巡航段散布要求。偏差，需要选择合适的制导系统，来满足巡航段散布要求。攻击点目标或动目标时，需增加末制导系统。攻击点目标或动目标时，需增加末制导系统。需求分析：技战指标需求分析：技战指标-距离、精度、质量、负载距离、精度、质量、负载方案论证：自动驾驶仪方案论证：自动驾驶仪.PK.制导控制系统制导控制系统调节规律：一般采用调节规律：一般采用PID控制控制高度高度/侧向位置控制：侧向位置控制：PID控制控制系统分析与设计：校正环节系统分析与设计：校正环节Tomahawk cruise missile维基百科维基百科 美国的一种长程、全天候、具有短翼、以亚音速美国的一种长程、全天候、具有短翼、以亚音速Ma0.7飞行飞行的巡航导弹。的巡航导弹。1970年由通用动力公司推出服役。年由通用动力公司推出服役。设计上是一种中到远距离，低空飞行，并且按模组化设计，设计上是一种中到远距离，低空飞行，并且按模组化设计，能够自陆地、船舰、空中与水面下发射。目前使用中的有能够自陆地、船舰、空中与水面下发射。目前使用中的有水面水面舰艇舰艇和和潜艇潜艇发射这两类。发射这两类。目前战斧家族最新成员是战术型战斧目前战斧家族最新成员是战术型战斧TACTOM，又称为战，又称为战斧斧Block IV+。具备抗。具备抗GPS干扰、飞行中更改目标的能力。干扰、飞行中更改目标的能力。用户：用户：英、美、西班牙英、美、西班牙舰载发射舰载发射长度：长度：6.25m直径：直径：0.52m总重：总重：1440kg载荷：载荷：高爆弹头高爆弹头 20万吨级核弹头万吨级核弹头发动机：涡轮风扇发动机发动机：涡轮风扇发动机速度：速度：880km/h Ma0.7射程：射程：最远最远2800km制导：制导：惯性导引惯性导引+GPS+影像影像造价：造价：57.5万万维基百科维基百科1低空巡航弹道低空巡航弹道2飞行中的巡航导弹飞行中的巡航导弹3地形匹配巡航弹道地形匹配巡航弹道7绕过防空阵地弹道绕过防空阵地弹道8景象匹配定位景象匹配定位4防空警戒雷达防空警戒雷达5攻击目标攻击目标6固定防空阵地固定防空阵地 基本方式基本方式：惯性导引：惯性导引+GPS+影像导引影像导引 Block I：核陆攻型核陆攻型BGM-109A 惯性导航惯性导航+地形比对系统地形比对系统(TERCOM)+雷达高度表雷达高度表。精确度较差，圆周误差公算精确度较差，圆周误差公算CEP80m。射前卫星摄得目标区域地形射前卫星摄得目标区域地形/地理影像资料，规划导弹路径地理影像资料，规划导弹路径(曲折迂回，利用地形躲避雷达曲折迂回，利用地形躲避雷达)，最后编辑成任务计划输入影，最后编辑成任务计划输入影像比对系统中。像比对系统中。海上飞行时，以惯性导航系统维持航向。进入陆地后，地形海上飞行时，以惯性导航系统维持航向。进入陆地后，地形比对系统工作，逐渐修正航道，朝目标前进。比对系统工作，逐渐修正航道，朝目标前进。如果地形过于平坦或山脉过多，会使地形比对系统无法有效如果地形过于平坦或山脉过多，会使地形比对系统无法有效运作。运作。Block I：反舰型反舰型BGM-109B 惯性导航惯性导航+主动雷达导引头主动雷达导引头/反辐射模式。反辐射模式。454kg(1000磅磅)的传统高爆弹头。的传统高爆弹头。Block II：传统弹头陆攻型传统弹头陆攻型BGM-109C/D 惯性导航惯性导航+数位影像区域比对数位影像区域比对(DSMAC)+DSQ-28雷达寻标头，雷达寻标头，还拥有反辐射模式。还拥有反辐射模式。CEP在在10m左右，巡航高度左右，巡航高度15150米。米。C型配备型配备454kg高爆弹头，高爆弹头，D型拥有内含型拥有内含166枚子弹的高爆集枚子弹的高爆集束弹头。束弹头。Block III：对陆攻击型对陆攻击型 在在Block II基础上加装基础上加装GPS。命中精度。命中精度36m。改良发动机增加燃油使用效率，提升射程：舰射型改良发动机增加燃油使用效率，提升射程：舰射型1667km。改进战斗部减重至改进战斗部减重至320kg，但攻击能力不降反升。，但攻击能力不降反升。与侦察用与侦察用UAV的结合的结合 Block IV：换装具反干扰能力的换装具反干扰能力的GPS接收器，并加装双波段卫星接收器，并加装双波段卫星UHF资资料链，能在飞行中途更改攻击目标。料链，能在飞行中途更改攻击目标。Block IV+：战术型战斧战术型战斧TACTOM，2004年海军服役年海军服役 结构与系统配置重新设计，简化生产程序、增加燃料空间、结构与系统配置重新设计，简化生产程序、增加燃料空间、集中安装电子系统、降低制造成本。集中安装电子系统、降低制造成本。可预先输入可预先输入15个目标，升空后视情况选择默认目标之一加以个目标，升空后视情况选择默认目标之一加以攻击，指挥单位也能利用资料链引导战术型战斧攻击一个不在攻击，指挥单位也能利用资料链引导战术型战斧攻击一个不在默认之内的新目标。默认之内的新目标。能在目标区能在目标区上空盘旋上空盘旋约约2小时。小时。u 1991年波斯湾战争：首次应用年波斯湾战争：首次应用 共使用了共使用了291枚枚Block II战斧导弹攻击各类地面目标，发射战斧导弹攻击各类地面目标，发射成功率是成功率是95%，命中率是，命中率是85%。u 1995-1999年科索沃战争：第一次使用年科索沃战争：第一次使用Block III 共使用了共使用了238枚战斧，其中枚战斧，其中198枚命中目标，这些目标包括枚命中目标，这些目标包括了了50%可移动目标与可移动目标与42%的防空系统。的防空系统。u 伊拉克战争伊拉克战争u 阿富汗战争阿富汗战争u 利比亚内战利比亚内战 按控制方式，飞航导弹弹道可分为按控制方式，飞航导弹弹道可分为2部分：部分：自控段自控段/方案弹道：采用自主控制方式，由弹上控制系统方案弹道：采用自主控制方式，由弹上控制系统控制导弹按预定的弹道飞行，不受目标运动信息影响。控制导弹按预定的弹道飞行，不受目标运动信息影响。自导段自导段/导引弹道：采用自动寻的制导方式，根据目标回导引弹道：采用自动寻的制导方式，根据目标回波或辐射能量信号，按预定的导引规律引导导弹跟踪、逼近日波或辐射能量信号，按预定的导引规律引导导弹跟踪、逼近日标，直至命中。标，直至命中。迭代设计迭代设计过程过程 按工程实际，飞航导弹弹道设计工作如下：按工程实际，飞航导弹弹道设计工作如下：确定轨迹形式：包括下滑确定轨迹形式：包括下滑/爬升角、扇面转弯半径、末段爬升角、扇面转弯半径、末段攻击半径等。反映了总体设计要求，与载体、导弹、目标的运攻击半径等。反映了总体设计要求，与载体、导弹、目标的运动特性及导弹控制方案、设备性能都有密切关系。动特性及导弹控制方案、设备性能都有密切关系。方案弹道设计方案弹道设计 导引弹道设计导引弹道设计垂直平面垂直平面水平平面水平平面可实可实现性现性 飞航导弹的典型段弹道，如爬高段、下滑段、平飞段等都可飞航导弹的典型段弹道，如爬高段、下滑段、平飞段等都可采用方案弹道。采用瞬时平衡假设，将导弹视为可控制质点，采用方案弹道。采用瞬时平衡假设，将导弹视为可控制质点，并假设导弹在一个固定不变的垂直平面内飞行。并假设导弹在一个固定不变的垂直平面内飞行。采用纵向运动方程采用纵向运动方程 设计点设计点1：使某一运动参数按预先设计的规律变化：使某一运动参数按预先设计的规律变化 俯仰角俯仰角-攻角攻角-弹道倾角弹道倾角-飞行高度飞行高度 设计点设计点2：发动机推力程序发动机推力程序指数规指数规律变化律变化程序俯仰角设计：程序俯仰角设计：易于测量且精度高；考虑载体、导弹特性及技战指标因素易于测量且精度高；考虑载体、导弹特性及技战指标因素空舰导弹程序俯仰角空舰导弹程序俯仰角飞行高度程序设计：飞行高度程序设计：可直接测量且精度高可直接测量且精度高下滑转平飞时下滑转平飞时下滑段下滑段()c0sk t thH e平飞转平飞时平飞转平飞时c()st/tpphh H eHc()t平飞段平飞段侧向运动方程：偏航侧向运动方程：偏航+滚动滚动程序偏航角设计：程序偏航角设计：横偏程序设计：横偏程序设计：c()tc()z()c0sk t tzz e扇面发射扇面发射天线轴与天线轴与速度重合速度重合 自动导引段，导弹在制导系统的参与下控制飞行，制导系统自动导引段，导弹在制导系统的参与下控制飞行，制导系统按目标运动由选定的导引方法来导引导弹的运动。按目标运动由选定的导引方法来导引导弹的运动。纵向导引规律：纵向导引规律：常规的追踪法、比例导引法等均可使用。常规的追踪法、比例导引法等均可使用。近似追踪法：天线轴与弹轴间夹角等于导弹平衡攻角。近似追踪法：天线轴与弹轴间夹角等于导弹平衡攻角。pmg cosPY侧向导引规律：侧向导引规律：追踪法、比例导引法等均可用。追踪法、比例导引法等均可用。方案方案飞行飞行 纵向控制系统任务：对俯仰姿态角和飞行高度施加控制，纵向控制系统任务：对俯仰姿态角和飞行高度施加控制，使其在垂直平面内按预定弹道飞行。使其在垂直平面内按预定弹道飞行。多回路多回路舵回路形式舵回路形式22121ocKT sT sK 舵回路闭环传递函数舵回路闭环传递函数速率陀螺传递函数速率陀螺传递函数2221ttttttKKT sT s 弹体环节传递函数弹体环节传递函数1122(1)21lllllKT sWT sT s舵回路：由舵机专业完成舵回路：由舵机专业完成姿态稳定回路：姿态稳定回路：逐回路设计逐回路设计简化舵回路简化舵回路不考虑高度回路不考虑高度回路122(1)(1)(21)lWWlllT sT sWKs T sT s开环传递函数开环传递函数1lWocK KKKWKTK 系统稳定性及动态品质系统稳定性及动态品质高度稳定回路：高度稳定回路：逐回路设计逐回路设计111lT sWKT s前提：前提：简化姿态稳定简化姿态稳定回路闭环传递函数回路闭环传递函数HjHKKK 闭环稳定性及动态品质闭环稳定性及动态品质22221(1)gggggT sT sWKsT s开环传递函数开环传递函数PID控制控制时变非线性仿真验证时变非线性仿真验证 设备非线性、弹体参数时变设备非线性、弹体参数时变随机误差影响验证随机误差影响验证 掠海飞行时：海浪掠海飞行时：海浪+阵风阵风+导引头导引头性能分析性能分析35424012()()fbABSexp-bbb认为：海浪为正态平稳随机过程认为：海浪为正态平稳随机过程PID控制控制频谱密度频谱密度2210(s)fdGsd sd传递函数传递函数 侧向运动包括航向、倾斜和侧向偏移运功，而航偏和倾斜侧向运动包括航向、倾斜和侧向偏移运功，而航偏和倾斜运动彼此紧密交连在一起。工程上采用简化方法，把偏航、运动彼此紧密交连在一起。工程上采用简化方法，把偏航、倾斜和侧向偏移作为彼此独立的运动进行分析设计，最后再倾斜和侧向偏移作为彼此独立的运动进行分析设计，最后再考虑相互间的影响。考虑相互间的影响。功能：保证偏航角偏差在规定的范围内，并按预定的要求功能：保证偏航角偏差在规定的范围内，并按预定的要求改变基准运动。改变基准运动。稳定稳定+控制控制 基本结构与纵向姿态角回路一致。基本结构与纵向姿态角回路一致。偏航角传递函数与俯仰角传递函数形式一致。偏航角传递函数与俯仰角传递函数形式一致。PID控制控制1122(1)21iiiiiKT sWT sT s设计过程一致设计过程一致1122(1)21lllllKT sWT sT s 倾斜运动传递函数倾斜运动传递函数PD控制控制52(1)KWs T s传递函数较俯仰、偏航简单，可采用类似设计方法。传递函数较俯仰、偏航简单，可采用类似设计方法。可引入积分信号反馈，使常值干扰下稳态差为可引入积分信号反馈，使常值干扰下稳态差为0。一阶无静差系统一阶无静差系统 对于自控段侧向散布要求较高、射程较远的导弹，须增设侧对于自控段侧向散布要求较高、射程较远的导弹，须增设侧向质心稳定系统，以稳定导弹侧向质心运动。向质心稳定系统，以稳定导弹侧向质心运动。与高度稳定相类似，侧向偏离以偏航角及倾斜角的自动控制与高度稳定相类似，侧向偏离以偏航角及倾斜角的自动控制系统为内回路，一般通过转弯的方法自动进行修正。系统为内回路，一般通过转弯的方法自动进行修正。PD控制控制u 协调转弯修正：副翼；响应快速协调转弯修正：副翼；响应快速u 侧滑转弯修正：方向舵；响应慢侧滑转弯修正：方向舵；响应慢为什么？为什么？PD控制控制u 协调转弯修正：副翼控制协调转弯修正：副翼控制 方向舵参与控制配合，确保侧滑角为方向舵参与控制配合，确保侧滑角为0。1234xIII zI PD控制控制u 侧滑转弯修正：方向舵控制侧滑转弯修正：方向舵控制 副翼参与协调控制，确保倾斜角为副翼参与协调控制，确保倾斜角为0。1234yIII zI z PD控制控制 考虑偏航、倾斜的交连影响。考虑偏航、倾斜的交连影响。1234112342xxxxxcyyyyycKKKKyKKKKy给定值给定值干扰项干扰项舵信号舵信号姿态项姿态项 数字系统较传统模拟系统具有以下优点：数字系统较传统模拟系统具有以下优点：具有较高的控制精度具有较高的控制精度 系统修改和综合只需改变软件，有利于系统的改型和改进系统修改和综合只需改变软件，有利于系统的改型和改进 系统的全面自检与维护简单易行系统的全面自检与维护简单易行 易于实现复杂的非线性控制规律，可获得系统最优性能易于实现复杂的非线性控制规律，可获得系统最优性能 随着数字计算机的发展，随着数字计算机的发展，数字式飞行控制系统数字式飞行控制系统得到了迅速得到了迅速发展，发展，数字网络数字网络越来越广泛的应用于飞行控制中。数字系统越来越广泛的应用于飞行控制中。数字系统的设计重点倾向于的设计重点倾向于IO接口接口、余度配置余度配置及及软件设计软件设计等。等。由于目前传感器及伺服机构仍较多采用由于目前传感器及伺服机构仍较多采用连续模拟部件连续模拟部件，且，且被控对象为被控对象为连续运动的飞行器连续运动的飞行器，因此数字式飞行控制系统是，因此数字式飞行控制系统是由数字部件与模拟部件组合的由数字部件与模拟部件组合的“混合系统混合系统”。数字部件数字部件连接部件连接部件连接部件连接部件作用？作用？1.模数接口及处理模数接口及处理2.模型数字实现模型数字实现3.系统设计介绍系统设计介绍4.工程问题工程问题教学实施：教学实施：0.概述概述1.反导导弹系统反导导弹系统2.弹道导弹系统弹道导弹系统3.巡航导弹系统巡航导弹系统4.数字控制系统数字控制系统5.其他技术及工程问题其他技术及工程问题 在在混合系统混合系统中利用数模中利用数模(D/A)转换和模数转换和模数(A/D)转换来实现转换来实现连续环节与数字环节的数据交流。连续环节与数字环节的数据交流。采样功能：采样功能：以周期以周期T输出测量信号瞬时值输出测量信号瞬时值模数模数(A/D)转换：转换：模拟信号转换为数字信号模拟信号转换为数字信号 整量化功能：整量化功能：把采样值用基本单位的整数倍近似表示把采样值用基本单位的整数倍近似表示0()()()kx tx kTtkT 编码功能：编码功能：用二进制数码表示整量化信号用二进制数码表示整量化信号()1()integer+sign()2qx kTx kTqx kTq2qmaxa log x有效位数有效位数采样周期采样周期最常见的最常见的采样方法采样方法有两大类：有两大类：v-转换器：转换器：把连续信号瞬间值把连续信号瞬间值v转换成与之成正比的转换成与之成正比的时间间隔时间间隔，在，在时时间内向计数器输入间内向计数器输入固定频率的脉冲固定频率的脉冲，在，在时间内记数器累积的时间内记数器累积的脉冲数脉冲数正比于正比于v。v-f转换器：转换器：把连续信号的瞬间值把连续信号的瞬间值v，转换成一个，转换成一个，其，其f与与v成正比，只要累加输出的脉冲数，便可以得到连续信号的积成正比，只要累加输出的脉冲数，便可以得到连续信号的积分值。分值。解码功能：解码功能：把二进制数码信号转换为模拟量离散时间信号把二进制数码信号转换为模拟量离散时间信号数模数模(D/A)转换：转换：数字信号转换为模拟信号数字信号转换为模拟信号 保持功能：保持功能：把采样信号转换为连续信号把采样信号转换为连续信号其幅值与输入成比例，比例系数为量化单位其幅值与输入成比例，比例系数为量化单位利用现在和过去时刻的离散信号，外推出采样点之间的信号值利用现在和过去时刻的离散信号，外推出采样点之间的信号值2012()y nTtaatat.0()()y nTtay nT01()Tsew ss01()()(1)()y nTtaa ty nTy nTy nTtTu 保持器性能保持器性能 通过对零阶保持器的输入通过对零阶保持器的输入-输出频谱分析认为：输出频谱分析认为：零阶保持器零阶保持器能将能将低频离散信号复原低频离散信号复原成连续信号成连续信号 对对高频高频信号有良好的信号有良好的滤波滤波特性特性 带来附加的带来附加的相移相移0()sargw j采样频率要高采样频率要高模型实现模型实现 计算机是实现数字网络的部件，它以计算机是实现数字网络的部件，它以分时分时的方式完成俯仰、偏航、的方式完成俯仰、偏航、滚动三个通道的姿态控制和制导系统所需的各种计算，分别输出数滚动三个通道的姿态控制和制导系统所需的各种计算，分别输出数字量控制信号。字量控制信号。字长要求：减小截断误差字长要求：减小截断误差/量化误差量化误差 计算速度要求：计算量大，减小限制延迟时间计算速度要求：计算量大，减小限制延迟时间计算机实现的算法可以用差分方程表示计算机实现的算法可以用差分方程表示10120()()()()()()()(2)()mmnny kTF x kT,.,x kTnTb x kTbx kTT.b x kTmTay kTTay kTT.a y kTnT对应的对应的z传递函数为传递函数为01()()()1mim iinjnjjbzy zD zx zaz为了考虑为了考虑计算机的延时计算机的延时，可以添加延时环节，可以添加延时环节 。se模型离散化模型离散化 连续域中，飞行器动力学模型、校正环节等都用传递函数描述。连续域中，飞行器动力学模型、校正环节等都用传递函数描述。对其数字化时，常采用对其数字化时，常采用(也称突斯汀变换也称突斯汀变换)：传递函数变为传递函数变为211zsTz001101121()1()2111()1 ()1mmiim im iiinnjjnjnjjjnin iinjnjjzbsbTzG szasaTzddzD zcz 采样周期采样周期T的的确定十分关键确定十分关键u 差分方程实现差分方程实现 数字网络数字网络D(z)，可利用不同方法得到，可利用不同方法得到不同形式不同形式的差分方程。的差分方程。优点优点：计算时间短，舍入误差小：计算时间短，舍入误差小 缺点缺点：对系数误差的灵敏度高：对系数误差的灵敏度高01()1niiinjjjbzD za z01()()()nnijijy kTbx kTiTa y kTjT 把传递函数把传递函数D(z)分成一系列低阶因子的乘积，然后进行处理。分成一系列低阶因子的乘积，然后进行处理。优点优点：调整极点方便，对系数误差灵敏度低：调整极点方便，对系数误差灵敏度低 缺点缺点：计算时间长，舍入误差大：计算时间长，舍入误差大01()1niiinjjjbzD za z1111211()11jiijijjc zazD zbzd ze z低阶环节的串联，实现简单低阶环节的串联，实现简单D1(z)D2(z)Dn(z)u 差分方程实现差分方程实现 把传递函数把传递函数D(z)展开成展开成部分分式之和部分分式之和，然后进行处理。，然后进行处理。优点优点：调整极点方便，对系数误差灵敏度低：调整极点方便，对系数误差灵敏度低 缺点缺点：计算时间长，舍入误差大：计算时间长，舍入误差大01()1niiinjjjbzD za z低阶环节实现简单低阶环节实现简单12111211()11jjiijijjc zd zazD zbze zf zD1(z)D2(z)Dn(z)u 差分方程实现差分方程实现 根据实际情况，将根据实际情况，将D(z)分解成分解成适当的部分适当的部分，对各部分采用不，对各部分采用不同的方法同的方法编排编排，可以得到非常灵活的差分方程。，可以得到非常灵活的差分方程。目的目的在于减小计算时间及对系数截断误差的灵敏度，减小舍在于减小计算时间及对系数截断误差的灵敏度，减小舍入误差等。入误差等。u 差分方程实现差分方程实现 数字式飞行控制系统是由数字部件与模拟部件组合的数字式飞行控制系统是由数字部件与模拟部件组合的“混合混合系统系统”，其设计方法也具有特点。，其设计方法也具有特点。u连续域连续域-离散化设计：离散化设计：u离散化离散化-数字域设计：数字域设计：讨论重点讨论重点数字网络的特殊问题数字网络的特殊问题模拟化分析方法模拟化分析方法离散化分析方法离散化分析方法u模拟化系统设计模拟化系统设计 就是把采样系统当成就是把采样系统当成模拟系统模拟系统来分析与综合，关键在于如何来分析与综合，关键在于如何把综合出来的把综合出来的模拟校正网络模拟校正网络转化成转化成数字校正网络数字校正网络。保持器性能分析 校正网络设计校正网络设计 数字网络建立数字网络建立u模拟化系统设计模拟化系统设计-数字网络建立数字网络建立 设计方法包括设计方法包括冲激不变法冲激不变法、双线性变换法双线性变换法及及根匹配法根匹配法。转换原则是，数字网络的转换原则是，数字网络的单位冲激单位冲激(即脉冲即脉冲)响应响应D(nT)与模拟与模拟网络的响应采样值网络的响应采样值相等相等。只要采样频率足够高，经过零阶保持。只要采样频率足够高，经过零阶保持器，可复现模拟网络的脉冲过渡函数，使数字网络起到与模拟器，可复现模拟网络的脉冲过渡函数，使数字网络起到与模拟网络网络同等作用同等作用，保持了模拟系统的性能。，保持了模拟系统的性能。典型环节相加典型环节相加0()MigiiAw ss s0()iMs tgiiw tAe10()()1iMigsTiAD zZ w tez模拟网络模拟网络脉冲响应脉冲响应数字网络响应数字网络响应u模拟化系统设计模拟化系统设计-数字网络实现数字网络实现 双线性变换相对于采用梯形方法求积分。双线性变换相对于采用梯形方法求积分。1()gw ss()()()()2Ty nTy nT Tx nTx nT T111()2 1yTzDzxz 这种变换可推广到这种变换可推广到高阶环节高阶环节，可采用，可采用低阶环节串联低阶环节串联方法。方法。该方法是一种该方法是一种近似方法近似方法，其，其冲激响应冲激响应与连续过渡过程的采样与连续过渡过程的采样值不相同。但是，双线性变换后网络的值不相同。但是，双线性变换后网络的静态增益不变静态增益不变，变换不，变换不影响网络的影响网络的绝对稳定性绝对稳定性。双线性双线性z变换变换112 11zsTz 采用模拟化设计方法时，应考虑以下影响：采用模拟化设计方法时，应考虑以下影响：传感器传感器测量信号测量信号应进行应进行噪声滤波噪声滤波，以防止采样后发生低频，以防止采样后发生低频混迭。设置前置混迭。设置前置低通滤波器低通滤波器。对零阶保持器、分时采样及控制律运算等因素产生的时延，对零阶保持器、分时采样及控制律运算等因素产生的时延，应在控制器中适当补偿应在控制器中适当补偿相位超前相位超前。对零阶保持器产生的对零阶保持器产生的阶梯信号阶梯信号须进行须进行后置平滑滤波后置平滑滤波，并补，并补偿其偿其相位滞后相位滞后。u模拟化系统设计模拟化系统设计-注意事项注意事项u离散化系统设计离散化系统设计 就是把就是把模拟系统模拟系统处理成离散系统，应用与连续系统相应的方处理成离散系统，应用与连续系统相应的方法，来分析数字系统的稳定性。法，来分析数字系统的稳定性。弹体传递函数离散化弹体传递函数离散化 极点位置与动态响应极点位置与动态响应 数字系统频率域分析数字系统频率域分析u离散化系统设计离散化系统设计-弹体环节离散化弹体环节离散化 设飞行器传递函数为设飞行器传递函数为w2(s)，引入零阶保持器，引入零阶保持器w0(s)后，传递函后，传递函数为数为w1(s)。引入数字校正网络。引入数字校正网络D(z)后，有后，有w2(s)102()()()w sw s w s11()()()1()()bD z w zw zD z w z闭环系统闭环系统D(z)22TszTs2()w su离散化系统设计离散化系统设计-极点位置与动态响应极点位置与动态响应 当闭环系统当闭环系统wb(s)极点极点|zk|1时，时，y(n)是发散序列是发散序列 当当a=1时，时，y(n)是等幅脉冲序列是等幅脉冲序列 当当0a1时，时，y(n)是单调衰减序列是单调衰减序列 当当-1a0时，时，y(n)是交替变号的衰减序列是交替变号的衰减序列 当当a=-1时，时，y(n)是交替变号的等幅序列是交替变号的等幅序列 当当a-1时，时，y(n)是交替变号的发散序列是交替变号的发散序列对应于连续系统对应于连续系统单极点单极点u离散化系统设计离散化系统设计-极点位置与动态响应极点位置与动态响应2()0.5bw zz1()2 0.5nsy ny 22TszTs0.14()0.0751bsw ss0.05Ts-0.1s+40.075s+1Transfer FcnStep1StepScope22z-0.5DiscreteTransfer Fcn当当0a1时，极点在单位时，极点在单位圆外圆外，输出，输出y(n)振荡发散振荡发散 当当R=1时，时，极点在单位极点在单位圆上圆上，输出，输出y(n)等等幅振荡幅振荡 当当R1时，时，极点在单位极点在单位圆内圆内，输出，输出y(n)振荡衰减振荡衰减极点模极点模1()cos(1),1ny nd Rnn z ajb 极点相位极点相位初始相位初始相位 只要求出系统只要求出系统闭环极点闭环极点，就可知道系统的，就可知道系统的稳定性和动态稳定性和动态品质品质。与连续系统一样，可应用。与连续系统一样，可应用根轨迹法根轨迹法设计数字系统。设计数字系统。u离散化系统设计离散化系统设计-频率域分析频率域分析 数字系统的数字系统的z域分析能直观地给出系统性能，但部分环节如舵域分析能直观地给出系统性能，但部分环节如舵机的机的z变换并不容易得到。因此，数字系统的分析、设计，常在变换并不容易得到。因此，数字系统的分析、设计，常在频率域进行，这就需要求出离散系统的频率持性。频率域进行，这就需要求出离散系统的频率持性。数字网络数字网络的频率特性的频率特性定义为离散正弦函数输入下的稳态输出与输入之比。定义为离散正弦函数输入下的稳态输出与输入之比。连续部分连续部分的离散频率特性的离散频率特性直接利用连续部分环节的脉冲响应采集数据。直接利用连续部分环节的脉冲响应采集数据。u采样周期采样周期T的选择的选择目前计算机的目前计算机的速度、容量、字长速度、容量、字长等方面都可满足要求，因此，等方面都可满足要求，因此，数字系统实现并不存在十分困难的问题。数字系统实现并不存在十分困难的问题。为使为使采样信号不失真采样信号不失真的复现原信号，采样周期必须满足的复现原信号，采样周期必须满足香农采香农采样定理样定理，即采样频率对信号最高频率必须满足，即采样频率对信号最高频率必须满足 。工程上采样方法都是近似的，即使满足采样定理也不能完全复工程上采样方法都是近似的，即使满足采样定理也不能完全复现连续信号。而采样周期过大，将影响系统的现连续信号。而采样周期过大，将影响系统的稳定性稳定性。取采样频率为取采样频率为s=(1020)c不同信息通路取不同的采样频率不同信息通路取不同的采样频率 长周期参数长周期参数10Hz，短周期参数，短周期参数50Hz，弹体振动参数，弹体振动参数1000Hz12s更高更高实现实现u 抗干扰问题抗干扰问题数字系统中存在数字系统中存在高频干扰高频干扰，如振动噪声、电源噪声等，采样周，如振动噪声、电源噪声等，采样周期无法满足采样定理，可能会出现期无法满足采样定理，可能会出现频率折叠频率折叠现象，形成低频干扰现象，形成低频干扰信号，严重时会影响系统的信号，严重时会影响系统的正常控制正常控制。数字系统的数字系统的量化信号量化信号是以量化单位阶跃变化的，网络中有微分是以量化单位阶跃变化的，网络中有微分作用很强的零点时，也会产生较大的量化噪声。应避免。作用很强的零点时，也会产生较大的量化噪声。应避免。测量元件增加滤波效果，测量元件增加滤波效果，减小高频干扰信号减小高频干扰信号信号采样前加模拟滤波器，信号采样前加模拟滤波器，以衰减高频干扰信号以衰减高频干扰信号u截断误差及截断误差及A/D，D/A的非线性影响的非线性影响在数字系统中，在数字系统中，网络参数网络参数的截断误差、的截断误差、计算过程计算过程中的截断误中的截断误差及差及A/D、D/A的的非线性影响非线性影响等，在设计中都应给予考虑，并等，在设计中都应给予考虑，并通过分析确定通过分析确定采样周期采样周期T、计算机字长计算机字长、计算速度计算速度及及内存量内存量。系统设计好后，还要进行系统设计好后，还要进行数字数字-模拟混合仿真模拟混合仿真，通过仿真可以，通过仿真可以研究和检查上述各种问题的影响，从而进一步修改有关参数。研究和检查上述各种问题的影响，从而进一步修改有关参数。小结小结飞航导弹特点飞航导弹特点 战斧导弹战斧导弹典型飞行弹道及其设计典型飞行弹道及其设计 方案弹道；导引弹道方案弹道；导引弹道纵向控制系统纵向控制系统 姿态角回路；高度回路姿态角回路；高度回路侧向控制系统侧向控制系统 航向角控制；倾斜角控制；侧向偏移修正航向角控制；倾斜角控制；侧向偏移修正5.3 飞航导弹控制系统飞航导弹控制系统本章小结本章小结模数接口及处理模数接口及处理 数模数模/模数转换；采样方法；保持器模数转换；采样方法；保持器性能性能模型实现模型实现 离散化方法；差分方程实现离散化方法；差分方程实现数字系统的分析数字系统的分析 模拟化设计：数字网络建立模拟化设计：数字网络建立 离散化设计：极点与动态特性离散化设计：极点与动态特性系统工程问题系统工程问题 采样周期选择，抗干扰问题，误差及非线性采样周期选择，抗干扰问题，误差及非线性5.4 数字控制系统数字控制系统设计举例 某飞行器动力学方程某飞行器动力学方程()gvvvvrvkvVdVmmVPFGFFdttcoscossincossinsincoscosmANZqSPVCCCgmm111costansintansincoscoscos cossin coscosmxyzANqSCCmVgPVmV 11sincoscossinsinsincoscos sincossin mxyANzqSCCCmVgPVmV转动方程211111111211111121111111()2()2()2zmzm kmqm kxyxyzzymym knrm kzxzxyyxmxm klpm kyzyzxxC qS lC qS lJJVJC qS lC qS lJJVJC qS lC qS lJJVJ 线性化小偏差方程121345167819 ffzfffyfffxfCCCCCCCCC121345167819 ppypppzpppxpCCCCCCCCC 1112341567189 0zfzfffyfffxffBBBBBBBBB1112341567189 0ypypppzpppxppBBBBBBBBB 1112341567189 0 xgxgggzgggyggBBBBBBBBB状态方程形式1245781121548745127854218714578125487211ffffffzzffffffppppppppppppyggggggggggggxCCCCCCBBBBBBCCCCCCBBBBBBCCCCCCBBBBBB 36936963916396936931111100000001000000010ffffffpppypppggggggxzyxCCCBBBCCCBBBCCCBBB某一特征点状态方程111-0.386011.000000.000000.000000.00001-0.0 0000-32.78840-0.106550.000210.000000.000000.000000.000000.00000-0.114200.995980.039850.08 953-0.000020.00000-26.7023zyx1116-0.099740.000000.000000.000230.00000-0.00633-0.08953-0.003130.99598-0.000150.00000-40.311950.000000.00000-0.02268-0.055700.00000-0 zyx.00000-62.567460.00001-0.000010.00000-0.067090.004080.00001-62.154213.772480.000000.00498-0.00030-0.000025.60643-46.01825俯仰通道去掉耦合项，代入去掉耦合项，代入 ，得到俯仰通道的小偏差方程如下，得到俯仰通道的小偏差方程如下 01213ffzfCCC121130zffzfBBB12321311111001ffffffzzzzCCCBBB传递函数313322111122()()()fffffffffffC sB CB CsssCBsC BCB3132312111122()()()fffffzffffffB sC BB CsssCBsC BCB姿态角的BTT/STT混合控制逻辑校正网络设计
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