制導系統設計

制導系統是指控制和引導飛彈的系統。制導系統設計則是運用一系列原理知識方法設計一個控制和引導飛彈的系統。

制導系統是實現將戰鬥部導向目標提高命中精度的關鍵部分，在很大程度上決定著作戰武器的戰術技術性能，特別是制導精度和殺傷機率。它由導航系統和控制系統組成。

基本介紹

• 中文名：制導系統設計
• 外文名：Guidance system design
• 類別：控制科學與工程
• 本質問題：對飛彈質心進行位置控制
• 系統設計理論：PID控制等
• 設計要求：穩定性和可控性

研究現狀

從控制系統的本質上來講，飛彈的制導問題可以看成是對空中飛行的飛彈質心進行位置控制的問題，飛彈的控制問題可以看成是對空中飛行的飛彈姿態、法向過載等動力學變數的穩定和控制問題，這些問題既可以用經典控制理論也可以用現代控制理論來解決。下面主要介紹幾種控制系統設計理論，這些理論在飛彈的工程設計上都得到了成功的套用。其中包括頻率回響校正方法、PID控制等經典控制理論，以及最優傳遞函式設計法、極點配置方法、變結構控制等現代控制理論。

頻率回響校正方法

頻率回響校正方法就是在頻域內對現行定常控制系統進行校正的方法。所謂校正，就是在系統中加入一些其參數可以根據需要而改變的機構或裝置，使系統整個特性發生變化，從而滿足給定的各項性能指標。

在頻域內進行系統設計，是一種間接設計方法，因為設計結果滿足的是一些頻域指標，而不是時域指標。然而，在頻域內進行設計又是一種簡便的方法，在伯德(Bode)圖上雖然不能嚴格定量地給出系統的動態特性，但卻能方便的根據頻域指標確定校正裝置的參數，特別是對己校正系統的高頻特性有要求時，採用頻域法校正較其他方法更為方便。

按照校正裝置在系統中的連線方式，控制系統校正方式可分為串聯校正、反饋校正、前饋校正和複合校正四種。目前工程實踐中常用的有三種校正方法，即串聯校正、反饋校正和複合校正。

PID控制

控制工程界中廣泛採用的一種控制器是PID控制器，也稱三項控制器。其傳遞函式包括一個比例項、一個積分項和一個微分項。

PID控制器在工程中得到了廣泛的套用，這一方面是由於PID控制器能在不同的工作條件下保持較好的工作性能，一般說來，當受控對象只有1個或2個極點(或可作2階近似)時，PID控制器對減小系統的穩態誤差和改善系統瞬態性能，效果特別明顯。另一方面也是由於它們功能簡單，便於使用。

為實現這樣的控制器，必須確定的3個參數為：比例增益、積分增益和微分增益。而PID控制器的3個參數選擇本質上是在三維空間搜尋的問題。三維搜尋空間的不同點對應於PID控制器的不同參數，因此，通過選擇參數空間的不同點，就可以獲得時間一輸入的不同系統回響(例如階躍回響)。幾種常用的PID參數確定方法有：臨界比例度法；回響曲線法；PID歸一參數的整定法；根軌跡法；ITAE設計法。

ITAE最優傳遞函式設計法

對一個階次較低的控制系統的動態品質，可以用超調量、阻尼以及調節時間等參數來衡量。而對一個階次較高的控制系統無法確定系統解與上述三項指標的顯函式。因此，在工程上常用系統的瞬時輸出誤差的泛函指標來表示控制系統品質的優劣。輸出誤差的泛函可取為輸出誤差的積分、輸出誤差平方的積分等幾種，在工程上用的較多的即ITAE泛函指標，其中I一積分，T一時間，A一絕對值，E一誤差。

ITAE最優傳遞函式設計的基本思路是採用最佳化方法，找出能使目標函式達到最小值時，所對應的系統閉環傳遞函式，即最優傳遞函式，在通過補償措施，使待設計系統的閉環傳遞函式等於最優傳遞函式，這就是最優傳遞函式設計方法。

極點配置

一個系統的性能和它的極點位置密切相關，因此採用極點配置設計控制系統在工程上廣泛套用。其基本思路是引入狀態反饋陣使系統的特徵多項式與理想系統的特徵多項式相等，即把系統的極點配置在理想的位置。

利用極點配置設計控制系統需要解決兩個問題：一是受控系統必須滿足極點可配置的條件；二是確定狀態反饋增益陣K的算法。

極點可配置條件為受控系統完全能控。常用的極點配置算法有兩種：狀態方程空間極點配置法；傳遞函式陣的極點配置法。

變結構控制

廣義地說，變結構控制就是在控制過程中，系統的結構(或模型)可發生變化的系統。而我們常說的變結構控制是指系統按照給定的切換函式，系統的控制信號發生改變的一種控制方式，也稱為滑動模態控制。

這是一種相對成熟的非線性控制器綜合技術，它適合於線性系統和非線性系統、連續和離散系統、確定性和不確定性系統、集中參數和分布參數系統、同步與時滯系統，適用的控制任務包括鎮定、跟蹤等。

變結構控制的突出特點在於:當系統狀態處於滑動運動時，具有對參數攝動的不變性和對外部干擾的魯棒性。很重要的一點是這種滑動運動是通過變結構控制器中理想的開關特性來實現的。由於時間上的延遲和空間上的滯後等，會是滑動運動呈現抖振現象。對任一變結構控制系統，往往要經過三種研究:理論分析、計算機仿真和實物試驗。

設計要求

作戰武器在作戰過程中必須實現發射、搜尋目標並對目標進行識別、跟蹤、攔截和毀傷等工作，隨著航天技術的快速發展，火箭彈、巡航飛彈等各種用途的制導武器不斷湧現。所謂制導武器就是按照特定的基準選擇航行路線，自動控制和導引對目標進行攻擊的武器。它們可以是天基的、空基的、陸基的或海基的。

實現制導武器的高精度，就要求制導系統精度高、穩定性好，能夠適應高溫、高壓等多種複雜的外界環境。與飛彈不同，火箭彈是一種高空域、速度變化範圍寬的高動態制飛彈藥，對其旋轉姿態的測量及其重要。火箭彈一般用於攻擊固定目標，飛行彈道相對固定，其運動變化規律是己知的，因此，制導控制系統相對簡單，制導控制系統的設計除了要保證動態參數的魯棒性和精度要求，還要保證整個有控飛行過程中的穩定性和可控性。

制導方式

制導系統是實現將戰鬥部導向目標提高命中精度的關鍵部分，在很大程度上決定著作戰武器的戰術技術性能，特別是制導精度和殺傷機率。它由導航系統和控制系統組成。制導系統按指令形成方式分為幾種：

自主式制導方式

自主制導是根據發射點和目標的位置，擬定一條理想預定彈道。飛行中通過彈上的制導設備，測出彈體相對理想彈道的偏差形成控制信號。彈發射後，彈、發射點、目標三者沒有直接的信息聯繫，命中精度等信息完全由彈上制導設備決定，不依賴於目標，一切均按發射前給它安排好的程式導向目標。方案制導、天文制導、地圖匹配製導和GPS制導都屬於自主式制導。

遙控式制導方式

遙控制導的導引系統的全部或一部分控制信號由制導站產生並傳送給彈上接收設備，將戰鬥部導向目標或預定區域。制導過程中，目標、彈體、制導站的運動學關係由目標、飛彈的位置和導引方法確定。導引方法使彈體按預先選定的空間運動規律飛向目標。遙控制導又可分為駕束制導和遙控指令制導。如雷達駕束制導、雷射駕束制導和電視指令制導、光電指令制導等。

尋的式制導方式

尋的制導是利用裝在彈上的導引頭接收目標輻射或反射的某種能量，確定目標和飛彈的相對位置在彈上形成控制信號，自動將飛彈導向目標的制導。尋的制導能夠實現目標識別是精確制導的主要體制。其中比較先進的導引手段有毫米波制導、雷射制導紅外點源制導等。毫米波制導為美國和歐洲國家尋的制導的研究主流。雷射制導是俄羅斯的研究主流。

複合制導方式

複合制導系統就是各類制導系統的有機組合，它是一種高制導精度度制導體制，己成為制導技術發展的重要趨勢。從本質上講，每種制導技術都有自己其獨特的優點和缺點，組合系統可以充分發揮各個子系統的優點，互相取長補短從而達到精確制的目的。

制導系統的組成

制導系統一般由導引系統和控制系統兩部分構成。它們敏感彈丸自身在控制和干擾作用下的運動狀態變化，並作出相應的反應，通過控制指令使舵面偏轉從而操縱彈丸朝預置彈道飛行。
為了實現火箭彈的自動飛行，必須通過彈載控制系統構成迴路。根據飛行任務的不同，可以組成舵迴路、穩定迴路和制導迴路等各種不同的迴路。

舵迴路

舵迴路是伺服機構，其工作原理主要是通過控制系統輸入信號的大小與極性形成控制指令從而控制舵面，使之產生相應的舵偏角。圖中設定的速度感測器是為了增大舵迴路的阻尼，起到改善動態性能的作用。舵迴路由放大器、舵機及反饋元件組成，如圖所示。

穩定迴路

放大計算裝置、敏感元件以及舵迴路組成自動駕駛儀。自動駕駛儀與彈體組成迴路，即穩定迴路。穩定迴路如圖所示。

穩定迴路是制導系統的主要組成部分。其基本任務是確保彈丸在飛行中具有良好的穩定性和可操縱型。
穩定控制系統把彈體作為被控制對象，當轉動控制面在操縱控制發動機和改變推力矢量時，彈體按照要求俯仰或航向機動，如果彈體上裝有慣導，可以對伺服機構形成附加反饋，以修正彈體運動。

制導迴路

事實上，在彈丸發射後的飛行過程中，制導系統將不斷地測量其實際運動與導引律確定的理想運動之間的偏差，據此偏差的大小和方向形成控制指令，通過穩定控制系統形成控制力修正飛行軌跡，因此，制導系統是實現將火箭彈導向目標提高命中精度的關鍵部分。制導迴路如圖所示。