在防空導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中使用模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器問題的探討

蘇曉丹

海軍駐航天科工集團二院軍代表室，北京100854

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在防空導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中使用模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器問題的探討

蘇曉丹

海軍駐航天科工集團二院軍代表室，北京100854

介紹了現(xiàn)代空襲兵器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能改進對防空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)形成的新需求，分析了現(xiàn)有制導(dǎo)控制系統(tǒng)在抗擊高機動飛行器時面臨的困難，探討了在防空導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中使用模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器的問題。

防空導(dǎo)彈;控制系統(tǒng);智能控制;模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器

防空導(dǎo)彈主要用于抗擊飛機、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)役——戰(zhàn)術(shù)“地-地”導(dǎo)彈、各種無人機、制導(dǎo)炸彈等空襲兵器。采用最新的科學(xué)技術(shù)成果，使得這些空襲兵器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能不斷改進并能研制出超機動飛行器。第五代戰(zhàn)斗機F-22、F-35、T-50和某些第三代戰(zhàn)斗機蘇-35、蘇-37、 F-15、 F-16 、F-18A、米格-29、蘇-27以及它們的改型，都擁有發(fā)達的機翼機構(gòu)，升力、側(cè)力直接控制結(jié)構(gòu)，高性能的推力矢量控制發(fā)動機，從而使它們擁有超機動性能，能完成高難度的空中機動，如俯仰平面內(nèi)的360°轉(zhuǎn)彎(“福勞洛夫酒杯”)、迎角達150°的“眼鏡蛇”機動、在空間懸停幾秒的“鐘”等模式。

飛行器機動性能的實質(zhì)性改進使它們獲得了智能機動的可能性，能夠明顯擴大武器的使用區(qū)域，減少進入防空兵器攻擊區(qū)的時間并提高自身的安全性，其中包括完成更有效的躲避有控殺傷的機動。

當(dāng)飛行器完成有針對性的機動時，會出現(xiàn)距離、速度和角坐標的三階或者是更高階的導(dǎo)數(shù)，會導(dǎo)致跟蹤中斷。由于擴大了被估計的狀態(tài)矢量坐標的范圍，飛行器的超機動性對跟蹤它們的“面-空”導(dǎo)彈彈上制導(dǎo)系統(tǒng)的精度、快速性和穩(wěn)定性提出了更苛刻的要求。如果空中目標在到相遇點前的2～4秒內(nèi)以最大的加速度Wmj開始機動，在這種情況下是最有效的，這時能達到最大的防空導(dǎo)彈脫靶量，在這種脫靶量下戰(zhàn)斗部引爆的概率實際上等于0[1]。上述情況對防空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的戰(zhàn)技性能提出了新的需求。

1 問題的提出

當(dāng)前，在目標機動、火力對抗、使用干擾和誘餌等不可監(jiān)測的外部軌跡和信息作用不確定性以及導(dǎo)彈自身運動動態(tài)參數(shù)變化的條件下，防空導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)還不具有自適應(yīng)的工作性質(zhì)。眾所周知，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)程度應(yīng)該既保證理想條件下的運行，也保證在各種干擾和破壞情況下的運行。

有一系列因素使對變化條件自適應(yīng)的控制系統(tǒng)的綜合問題變得非常復(fù)雜。1)，未知的軌跡和干擾作用影響以及防空導(dǎo)彈參數(shù)的不確定性，不可能直接采用相應(yīng)的控制補償，這會破壞匹配條件；2) 當(dāng)描述防空導(dǎo)彈飛行動力學(xué)的微分方程組階數(shù)相對較高時，想直接測量狀態(tài)矢量的所有坐標時就會遇到很大困難。

末制導(dǎo)系統(tǒng)品質(zhì)的最重要的指標是其精度和工作的穩(wěn)定性，這些指標與許多因素有關(guān)，其中包括控制系統(tǒng)的動態(tài)特性、擾動作用和發(fā)射導(dǎo)彈時刻的起始條件和目標的運動規(guī)律等。

近程末制導(dǎo)防空導(dǎo)彈(達5km)軌跡控制中使用的信息是導(dǎo)彈與目標的相對運動參數(shù)，這些參數(shù)的大小與目標機動有關(guān)，控制規(guī)律如下：

(1)

到防空導(dǎo)彈發(fā)射之前，通過指令生成裝置的傳遞系數(shù)的變化，實現(xiàn)KK1和KK2的選擇(例如，選擇“追蹤”或者是“迎面”射擊狀態(tài))，因此，若空中目標突然實現(xiàn)水平面內(nèi)的180°轉(zhuǎn)彎飛行時，這類導(dǎo)彈的飛行控制系統(tǒng)就不具備對射擊條件變化的自適應(yīng)性質(zhì)。在不同階段回路的傳遞系數(shù)可以相差幾倍，這會導(dǎo)致末制導(dǎo)動態(tài)特性變差，其后果是防空導(dǎo)彈制導(dǎo)品質(zhì)變差最終導(dǎo)致降低射擊效能。

因此，產(chǎn)生了在防空導(dǎo)彈本體上設(shè)置調(diào)節(jié)器裝置的設(shè)想，以保證在不確定條件下特別是在目標機動時導(dǎo)彈的制導(dǎo)。

對這一范圍內(nèi)研究成果的分析表明，在隨動式測量儀器中適宜引入專用的裝置(算法)，以發(fā)現(xiàn)目標機動和根據(jù)實際情況修正(自適應(yīng))控制系統(tǒng)的參數(shù)或結(jié)構(gòu)。

在以卡爾曼濾波為基礎(chǔ)建立的最優(yōu)測量儀器中，特別是在角度和距離跟蹤濾波器中，作為機動開始的探測器和濾波器參數(shù)修正裝置，可以使用偏差探測器、誤差校正器中的附加的控制修正調(diào)節(jié)器。

例如，在射程達40km的中程末制導(dǎo)防空導(dǎo)彈中，用專用的彈上測量儀器，通過測量和估計包含在控制規(guī)律中的運動學(xué)參數(shù)，達到控制系統(tǒng)對變化的制導(dǎo)條件的自適應(yīng)性。但是在近程防空導(dǎo)彈上，由于質(zhì)量尺寸指標的明顯限制，要完全實現(xiàn)上述想法是不可能的。

還有一系列限制最優(yōu)濾波器在不確定性條件下使用的情況：1)誤差放大系數(shù)是對完全確定的先驗統(tǒng)計資料計算的，在測量儀器運行條件變化的過程中它們的值將與最優(yōu)值有差別；2)狀態(tài)矢量維數(shù)對卡爾曼濾波器的穩(wěn)定性與發(fā)散性的影響是矛盾的，一方面，為提高模型對濾波器實際工作條件的符合精度而增加維數(shù)，會提高穩(wěn)定性和降低估值發(fā)散的趨勢；另一方面，這樣的模型更加依賴具體的工作條件且不具備對這些條件變化的自適應(yīng)性。對于工作在不確定性條件下的控制系統(tǒng)而言，后者特別不能接受；3)被綜合的濾波器維數(shù)的增長導(dǎo)致計算誤差的急劇提高，從而增強了發(fā)散的趨勢；4)為了實現(xiàn)最優(yōu)控制，必須有相對距離rx(t)變化規(guī)律的信息，這種信息在導(dǎo)彈本體上或者是通過直接測量而獲取，或者是通過計算得到，而對于質(zhì)量尺寸指標受限制的防空導(dǎo)彈，例如近程防空導(dǎo)彈，在導(dǎo)彈本體上測量相對距離rx(t)是不可能的[2-4]。

因此，必須研究末制導(dǎo)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)綜合的新方法，以克服上述缺點并保證在不確定條件下導(dǎo)彈的制導(dǎo)，有發(fā)展前景的是采用智能控制方法。

2 智能導(dǎo)彈簡介

智能導(dǎo)彈在技術(shù)層面上要具有下列功能和特性：強自適應(yīng)性、高識別能力、高靈巧性、高可靠性、使用方便性和高殺傷性。

智能導(dǎo)彈的主要組成包括：智能彈體結(jié)構(gòu)、智能動力系統(tǒng)、智能制導(dǎo)控制系統(tǒng)、智能殺傷系統(tǒng)、智能抗干擾和突防技術(shù)、智能指揮控制通信情報和偵察系統(tǒng)、自維護系統(tǒng)和智能化基礎(chǔ)技術(shù)。

智能導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)應(yīng)具有惡劣環(huán)境自適應(yīng)能力、智能再規(guī)劃能力、智能規(guī)避能力、跟蹤高機動目標能力、自修復(fù)能力和高彈性彈體控制能力。

智能導(dǎo)彈可對戰(zhàn)場情況進行自動探測、跟蹤，根據(jù)獲得的信息進行比較、分析、推理和判斷，達到識別目標、背景和威脅的目的，進而制定出正確的對策、實施必要的機動動作。智能導(dǎo)彈控制主要由智能控制器完成，它接受外部信息，結(jié)合導(dǎo)彈自身的測量系統(tǒng)作出智能決策，并對目標自動探測、自動識別和自動捕獲跟蹤，最后摧毀目標[5]。

智能控制包括多級遞階智能控制、基于知識的專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、基于規(guī)則的仿人智能控制、基于模式識別的智能控制和學(xué)習(xí)控制與自學(xué)習(xí)控制等[6]。當(dāng)前，以模糊邏輯方法為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)得到了非常廣泛的推廣應(yīng)用，模糊控制是未來能夠建立高性能控制系統(tǒng)的智能技術(shù)之一。

模糊自動控制系統(tǒng)是包含模糊邏輯推理結(jié)構(gòu)模塊的控制系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 模糊推理模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的優(yōu)點有：可以用于復(fù)雜的難以用簡單數(shù)學(xué)模型描述的過程；以語義的形式形成關(guān)于控制對象或者是過程的專家知識；逼近傳遞函數(shù)的可能性；結(jié)構(gòu)簡單；具有魯棒性或者是自適應(yīng)性[7]。

模糊推理模塊是非線性環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的算子由知識庫決定。模糊推理規(guī)則組成知識庫并被模糊邏輯推理算法使用。模糊邏輯推理模塊所處的位置是模糊控制系統(tǒng)的主要分類特征，在該情況下，模糊系統(tǒng)用自身形成的控制信號，或來自模糊系統(tǒng)的信號去控制傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)參數(shù)。本文介紹并探討在防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)中采用模糊控制方法的問題[8]。

3 在制導(dǎo)控制系統(tǒng)中使用模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器問題

防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)回路的典型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)回路結(jié)構(gòu)圖

在該情況下，模糊邏輯自動控制系統(tǒng)按2級方式構(gòu)成，在該系統(tǒng)的下面級使用傳統(tǒng)的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)器，而在上面級使用被稱為監(jiān)控器的模糊系統(tǒng)，這種監(jiān)控器根據(jù)系統(tǒng)中發(fā)生的過程對下面級調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行修正，賦予下面級自適應(yīng)或者是魯棒性質(zhì)(見圖3)。

圖3 具有模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器的近程防空導(dǎo)彈的末制導(dǎo)回路示意圖：Kφ1,Kφ2,Kλ,Kp—傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器工作修正系數(shù)

圖3中FUZZY1和FUZZY2是模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器，它們保證軌跡控制系統(tǒng)對防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)條件(目標機動)的自適應(yīng)；FUZZY3是保證姿態(tài)控制系統(tǒng)魯棒性的調(diào)節(jié)器，特別針對作為對導(dǎo)彈法向加速度Wdd傳遞系數(shù)的變化不太敏感的系統(tǒng)。

將具有模糊模型的控制系統(tǒng)理論用于近程防空導(dǎo)彈軌跡控制系統(tǒng)的綜合(圖4)，這種導(dǎo)彈采用能實現(xiàn)比例接近法的模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器。被綜合的運行算法能夠考慮作為被控對象的防空導(dǎo)彈的非線性與非定常性特點，并保證了沒有結(jié)構(gòu)與參數(shù)自適應(yīng)的高指標控制品質(zhì)，同時保證了控制算法的硬件與軟件實現(xiàn)的簡單。

圖4 具有模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器的軌跡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

可以按下面的方法進行軌跡控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的綜合：1)確定自尋的防空導(dǎo)彈帶模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器的軌跡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；2)進行為構(gòu)成模糊邏輯推理模塊知識庫(調(diào)節(jié)器參數(shù)的硬件知識)所需要的專家評估；3)形成模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器模糊邏輯推理模塊的算法。

專家評估的目的是確定修正系數(shù)KK值的變化范圍，在這個范圍內(nèi)，在變化的導(dǎo)彈與目標接近的條件下，保證所需要的末制導(dǎo)動態(tài)指標值。為了在向機動目標制導(dǎo)時保持所需要的導(dǎo)彈的動態(tài)性能指標，必須實現(xiàn)制導(dǎo)回路傳遞特性的修正，特別是根據(jù)來自調(diào)節(jié)器輸出端的信息，靠自動改變軌跡控制系統(tǒng)指令生成裝置的傳遞系數(shù)來修正，這種調(diào)節(jié)器根據(jù)某個被估計參數(shù)的變化來監(jiān)測目標的運動特點。

因此，專家評估的任務(wù)將是：1)確定信息參數(shù)的形式，利用這種形式可以測出在機動過程中目標運動特點變化的時刻；2)確定傳遞系數(shù)的值，保證在機動過程中目標運動特點變化時所需要的末制導(dǎo)動態(tài)指標；3)確定指令生成裝置修正系數(shù)變化對監(jiān)控機動目標運動特點的軌跡參數(shù)變化的運行依賴關(guān)系。

4 結(jié)論

由上面的討論可以得出，防空導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)可能在以下條件下工作：1)目標完成規(guī)避機動；2)不可能直接測量目標速度矢量及防空導(dǎo)彈自身運動參數(shù)所有坐標的情況；而自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠在理想的條件下，也可以在急劇變化的條件下，以很高的精度將導(dǎo)彈進行目標制導(dǎo)。上述情況給防空導(dǎo)彈自適應(yīng)控制系統(tǒng)的綜合形成了一定的困難。在近程防空導(dǎo)彈上，由于受質(zhì)量尺寸指標的限制，難以安裝制導(dǎo)所需要的能測量導(dǎo)彈與目標相對運動參數(shù)及其高階導(dǎo)數(shù)的傳感器，對于這類導(dǎo)彈來說，解決問題的途徑之一是使用具有模糊監(jiān)控調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。

[1] АИКанащенков ВМКорчагин Сверхманёвренность иборто выерадиолокационн ыесистемы Радиотехн ика 2002(5).

[2] 周慧鐘，等.有翼導(dǎo)彈飛行動力學(xué).航空專業(yè)教材編審組.

[3] 防空導(dǎo)彈武器制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計[M].宇航出版社,.

[4] 徐南榮，王漢清.導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng).航空專業(yè)教材編審組，1984.

[5] 夏國洪,王東進,等.智能導(dǎo)彈[M].中國宇航出版社，2008，3.

[6] 李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998,9.

[7] 章衛(wèi)國,楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001,2.

[8] КАВоробьёв Системыу правлениязенитныху правляе мыхракетсп рименениемнечётк огосупервизор ного регул ирования Автоматиз ацияисовременные технология

DiscussiononUsingFuzzyMonitoringRegulatorinAirDefenseMissileControlSystem

SU Xiaodan
Military Representative Office of Navy in the Second Research of CASIC， Beijing 100854, China

Regardingtheimprovementsofweapontacticalandtechnicalperformanceinmodernairattack，thenewrequirementsofguidanceandcontrolsystemforairdefensemissileareintroduced.Thenthedifficultiesofguidanceandcontrolsystemduringantagonizinghigh-maneuverablevehiclesareanalyzed，andfinallytheproblemofusingfuzzymonitoringregulatorinairdefensemissilecontrolsystemisproposed.

Airdefensemissile；Controlsystem；Intelligentcontrol；Fuzzymonitoring

2014- 10- 08

蘇曉丹(1966-),女，吉林通化人，碩士，高級工程師，主要從事飛行器總體設(shè)計、制導(dǎo)控制、作戰(zhàn)使用和質(zhì)量監(jiān)督研究。

TP316.2

： A

1006- 3242(2014)06- 0040- 04