艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

任彥朋

(中國(guó)人民解放軍91640部隊(duì)， 廣東 湛江 524064)

0 引 言

某型艦載對(duì)空導(dǎo)彈是實(shí)現(xiàn)對(duì)空目標(biāo)精確制導(dǎo)攻擊的艦載對(duì)空制導(dǎo)導(dǎo)彈，上艦裝載是實(shí)現(xiàn)該型艦載對(duì)空導(dǎo)彈發(fā)射準(zhǔn)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈上艦裝載的智能性，需要對(duì)該型導(dǎo)彈的裝載系統(tǒng)進(jìn)行智能控制設(shè)計(jì)，結(jié)合人工智能控制算法和控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的智能性和穩(wěn)定性，從而提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的裝載效率，研究艦載對(duì)空導(dǎo)彈的上艦裝載的自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)提高導(dǎo)彈部隊(duì)的技術(shù)保障能力方面具有重要意義，從而提升導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備過程的效率[1]。

當(dāng)前，對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的上艦裝載采用人工吊裝和機(jī)械臂吊裝結(jié)合的方式，受到裝載環(huán)境因素和導(dǎo)彈位姿的不確定擾動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致裝載控制的穩(wěn)定性不好[2]。傳統(tǒng)方法對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載優(yōu)化控制方法采用正反向旋轉(zhuǎn)雙軸調(diào)節(jié)方法，結(jié)合裝載機(jī)械臂的模糊控制律進(jìn)行自動(dòng)裝載設(shè)計(jì)，提高了裝載過程的穩(wěn)定性，然而，隨著不確定擾動(dòng)因素的增強(qiáng)，導(dǎo)致艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的穩(wěn)態(tài)輸出控制性能不好，為了提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的輸出平穩(wěn)性，進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出一種基于模糊PID和嵌入式集成控制的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊、總線集成控制模塊、機(jī)械臂輸出控制模塊、人機(jī)交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴(kuò)展總線技術(shù)進(jìn)行人工智能環(huán)境下的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度，采用模糊PID控制算法進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谇度胧降腁RM和DSP智能信息處理芯片，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，展示了本文方法在提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性能。

1 艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制算法

1.1 控制原理和力學(xué)參數(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行自動(dòng)裝載裝置控制算法設(shè)計(jì)，結(jié)合模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制進(jìn)行裝載過程的人工智能控制[3]，模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 導(dǎo)彈裝載的模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

Fig.1FuzzyPIDneuralnetworksystemstructuremodelformissileloading

在圖1所示的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載性能控制的模糊PID控制模型中，導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的控制節(jié)點(diǎn)通過力學(xué)參數(shù)估計(jì)，進(jìn)行裝載過程中的助力調(diào)節(jié)，提高裝載過程的穩(wěn)定性，到PID網(wǎng)絡(luò)在輸入層，輸入導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的力學(xué)參量，通過自適應(yīng)加權(quán)控制方法進(jìn)行模糊PID控制的強(qiáng)度調(diào)節(jié)，在輸出層輸出最優(yōu)的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制參數(shù)[4]，根據(jù)上述算法設(shè)計(jì)原理，得到輸入到自動(dòng)裝載裝置的力學(xué)參數(shù)為：

(1)

其中,Nk是k層的模糊PID控制的導(dǎo)彈裝載助力學(xué)傳感器信息采集點(diǎn)數(shù)。在固定采樣周期下，采用自適應(yīng)模糊控制方法，得到輸出層的導(dǎo)彈裝載助力參量自適應(yīng)加權(quán)系數(shù)為：

(2)

此時(shí)，在PID的隱層采用自適應(yīng)加權(quán)控制方法進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，學(xué)習(xí)系數(shù)表示為：

(3)

自動(dòng)裝載裝置自適應(yīng)調(diào)節(jié)的權(quán)值經(jīng)過閾值加權(quán)和反饋修正后，得到艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的慣性力矩和吊裝設(shè)備的輸出轉(zhuǎn)矩為：

(4)

(5)

(6)

bi=bi+Δbi

(7)

不斷重復(fù)上述迭代，直到誤差到達(dá)預(yù)設(shè)值，停止學(xué)習(xí)計(jì)算，進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的位姿調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制[5]。

1.2 控制律的優(yōu)化

根據(jù)模糊PID控制過程的力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果，結(jié)合導(dǎo)彈裝載的位姿參數(shù)解算模型，進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的機(jī)械助力裝載的力學(xué)模型構(gòu)建[6]，得到助力裝置的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能T和勢(shì)能V分別描述為：

(8)

V=MPgLcosθP

(9)

采用位姿參量自適應(yīng)反饋調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行導(dǎo)彈裝載助力學(xué)傳感信息的融合跟蹤識(shí)別[7]，在零勢(shì)能面得到艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

(10)

在6自由度空間內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)彈的位姿慣性參數(shù)調(diào)節(jié)，在受到小擾動(dòng)力矩作用下，得到最優(yōu)位姿參數(shù)解算方程為：

(11)

利用自適應(yīng)PID模糊跟蹤學(xué)習(xí)方法，進(jìn)行導(dǎo)彈裝載過程中的位形和姿態(tài)跟蹤，得到微小調(diào)節(jié)誤差分布為：

(12)

采用慣性參量融合方法實(shí)時(shí)跟蹤導(dǎo)彈裝載的力學(xué)參數(shù)和末端位姿，構(gòu)建時(shí)滯2自由度控制模型為：

(13)

以導(dǎo)彈裝載過程中的輸出力矩和轉(zhuǎn)向力矩為被控對(duì)象，結(jié)合模糊PID控制和Lyapunov穩(wěn)定性調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建模糊控制約束參量模型，對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的自動(dòng)裝載裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件開發(fā)，設(shè)計(jì)的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊、總線集成控制模塊、機(jī)械臂輸出控制模塊、人機(jī)交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴(kuò)展總線技術(shù)進(jìn)行人工智能環(huán)境下的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度[8]，對(duì)各個(gè)功能模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)描述如下：

(1)吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊。吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊采用AD采樣方法進(jìn)行力學(xué)參數(shù)采集和計(jì)算，結(jié)合信息融合跟蹤和多傳感器智能識(shí)別方法，進(jìn)行力學(xué)參數(shù)分析，提高對(duì)導(dǎo)彈裝載過程中的智能控制能力。采用D/A轉(zhuǎn)換器輸出艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載性能測(cè)試信息，在物理鏈路層中負(fù)責(zé)提供PCI總線接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的信息檢測(cè)。AD模塊采用DS18B20作為外圍器，采用32位嵌入式采樣技術(shù)進(jìn)行力學(xué)參數(shù)分析，得到模塊電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算AD模塊

Fig.2ADmoduleforcalculatingmechanicalparametersofhoisting

(2)總線集成控制模塊?？偩€集成控制模塊采用VIX總線控制技術(shù)，根據(jù)ARM嵌入式控制芯片進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的模糊PID控制和自動(dòng)裝載裝置狀態(tài)信息采集，在主機(jī)模塊中進(jìn)行集成信息處理，結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行硬件接口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器模塊，進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)的時(shí)鐘中斷控制，總線集成控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 總線集成控制模塊電路設(shè)計(jì)

(3)機(jī)械臂輸出控制模塊。機(jī)械臂輸出控制模塊是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，通過浮點(diǎn)DSP拷貝艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制指令到RAM緩沖區(qū)，采用VXI系統(tǒng)總線發(fā)送數(shù)據(jù)到主控計(jì)算機(jī)，采用4片AD8582的進(jìn)行AD采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制，利用DAVICOM公司的DM9000網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行導(dǎo)彈自動(dòng)裝載界面的射頻接口設(shè)計(jì)，得到機(jī)械臂輸出控制模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂輸出控制模塊

(4)人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊采用TMS320 VC5509A作為DSP智能信息處理終端，結(jié)合6線同步串口總線控制技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計(jì)，采用嵌入式的ARM和擴(kuò)展總線技術(shù)進(jìn)行人工智能環(huán)境下的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制指令傳輸和自適應(yīng)調(diào)度，用DSP進(jìn)行多通道的信息接口設(shè)計(jì)，在信息界面的人機(jī)交互液晶現(xiàn)實(shí)中，以Vout作為導(dǎo)彈自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓輸出終端，采用MVB集成控制方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)的可編程邏輯控制，綜上分析，得到本文設(shè)計(jì)的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制的人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

根據(jù)上述對(duì)導(dǎo)彈自動(dòng)裝載界面和信息系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，在PLC 邏輯可編程環(huán)境下，通過集成電路和軟件開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和開發(fā)。

圖5 人機(jī)交互模塊接口電路設(shè)計(jì)

Fig.5Interfacecircuitdesignofman-machineinteractionmodule

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載性能優(yōu)化中的應(yīng)用性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中控制算法設(shè)計(jì)采用Matlab 7 實(shí)現(xiàn)，艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的自動(dòng)裝載裝置模式設(shè)定為SPI和PSI2種工況模式，對(duì)導(dǎo)彈裝載的位姿和力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)采集采用4路隔離，16路差分AD采樣方法，采用8路TTL進(jìn)行力學(xué)參數(shù)的總線傳輸控制，結(jié)合32位的傳感器進(jìn)行控制參量采集和信息融合，通過TTL、RS232、RS422、RS485、USB、CAN、以太網(wǎng)、LVDS、1553B等接口進(jìn)行數(shù)字接收，系統(tǒng)采用2個(gè)14位模擬輸入通道進(jìn)行控制指令輸入，配有雙通道100MS/s同時(shí)采樣功能，導(dǎo)彈裝載的控制指令通過AC、DC耦合，最大可組合成4通道，根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)定，進(jìn)行控制系統(tǒng)測(cè)試，得到控制性能曲線輸出如圖6所示，位姿控制誤差對(duì)比見表1。分析上述仿真結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行艦空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制的輸出穩(wěn)定性較好、誤差較低、性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖6 艦空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制性能測(cè)試

Fig.6Automaticloadingcontrolperformancetestofship-to-airmissile

表1 裝載位姿調(diào)節(jié)誤差

4 結(jié)束語

對(duì)艦空導(dǎo)彈的裝載系統(tǒng)進(jìn)行智能控制設(shè)計(jì)，結(jié)合人工智能控制算法和控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載的智能性和穩(wěn)定性，從而提高艦載對(duì)空導(dǎo)彈的裝載效率，本文提出一種基于模糊PID和嵌入式集成控制的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制系統(tǒng)分為吊裝力學(xué)參數(shù)計(jì)算模塊、總線集成控制模塊、機(jī)械臂輸出控制模塊、人機(jī)交互模塊，采用嵌入式的ARM和擴(kuò)展總線技術(shù)進(jìn)行人工智能環(huán)境下的艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制指令傳輸和信息調(diào)度，采用模糊PID控制算法進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于嵌入式的ARM和DSP智能信息處理芯片，進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)。研究得知，本文方法進(jìn)行艦載對(duì)空導(dǎo)彈的自動(dòng)裝載控制的穩(wěn)定性較好、裝載位姿調(diào)節(jié)誤差較小、滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。