引信过程控制理论详解

灵巧引信是一种动态选择对象观测时机和控制输入时机的开环控制系统，其结构如图2.4所示。这类系统的主要特征是：在系统的整个演变过程中，观测和控制仅在某一时刻或某一时间段进行，即观测/控制输入和观测/控制时机分别存在边界约束，因此，控制算法除了需要解算观测/控制输入外，还需要选择观测/控制时机。单纯与基于控制模型的开环控制系统相比，动态开环控制系统能够利用观测信息对控制模型进行修正，通过合理的观测时机和控制时机选择，在总工作时长较短时，能够实现与模型预测控制相似的控制效果，且由于观测系统和控制输出系统均只在观测时机出现时工作，动态开环控制系统具有较高的能量利用率和较低的算法复杂度。

图2.4　动态开环控制系统结构

引信过程控制系统的整个工作过程可分为如下四个阶段：发射准备阶段、膛内运动阶段、环境和弹丸观测与控制阶段、起爆控制阶段，每个阶段可以观测和控制的对象均不相同，观测信息来源也各不相同，因此，每个信息观测对象和信息来源均有不同的观测时机约束，其中，起爆输出只能在起爆控制阶段出现，因此，控制时机被约束在起爆控制阶段。综上所述，引信过程控制系统是一种动态开环控制系统。

引信过程控制系统的最终目标为实现最佳毁伤控制，即控制弹丸完全按照任务设定的位置和状态起爆。在理想状态下，最佳毁伤控制模型为一个多输入单输出的二阶系统：

式中，Xf为弹丸状态；Af1为二次积分位置反馈参数；Af2为一次积分位置反馈参数；Bt1为任务输入参数；Bt2为环境输入参数；Ut1为目标状态输入；Ut2为环境状态输入；yf为起爆输出；输出函数δ（⋅）为一狄拉克函数。式（2.8）的含义为，弹丸的飞行状态由状态方程控制，当弹丸状态与任务状态完全一致时，yf=1输出控制信号，否则yf=0不输出控制信号，其控制系统结构如图2.5所示。

图2.5　最佳毁伤控制系统框图

引信动态开环控制在特定时刻或特定时间段内观测Xf及其一阶和二阶导数、Ut1和Ut2的瞬态值，修正控制模型，并通过控制模型和控制算法计算合适的控制时机，当引信到达控制时机时，输出控制信息。动态开环控制系统的工作目标为：通过合理地选择各状态的探测时机，并设计控制模型和控制算法，使得控制信息yf=1出现时刻td的|Xf（td）-Bt1Ut1（td）|尽量小。(www.xing528.com)

引信动态开环控制模型如图2.6所示，系统分为动态开环控制系统和被控对象两部分，动态开环控制系统无法对弹丸飞行进行控制。从图中可以看出，动态开环控制在观测时机to0～to4观测被控对象的各个参数，并将其输入控制状态演变算法和控制模型修正算法中，通过比较两个算法的输出结果确定控制时机td和控制输出yf，控制时机td决定了最终的控制误差yd1，图中Um0为模型修正的基准输入。其动态开环控制模型为：

图2.6　引信动态开环控制模型

动态开环控制精准度由yf出现时刻Xf和Ut的距离决定：

式中，Tf为控制状态；n为控制状态数量；Br为基准输入对控制状态的影响参数；Bt为任务状态输入对控制状态的影响参数；Ut0=ft（Ut1（to0），Ut2（to1））为任务状态输入；Um为模型输入：

Ur为基准输入；Dt为任务状态输入对输出状态的影响参数；Dm为模型输入对输出状态的影响参数；Dr为基准输入对输出状态的影响参数，对于多功能引信，其每个功能均有自己的Dt、Dm、Dr，因此，用下标i代表不同功能所对应的模型参数；θ（⋅）为单位阶跃函数；yd1为控制执行时刻弹丸与任务的状态差；td为弹丸控制执行时刻。