试析导弹制导控制系统快速原型设计技术

万辉 ,李媛

江南机电设计研究所  贵州贵阳  550027

摘  要：本文以导弹制导控制系统为研究对象，通过建立数学模型，建立一种基于RTLAB实时仿真器的快速原型设计的导致制导系统平台，综合讨论系统硬件、软件及设计流程，并进行测试，确保利用该设计方案设计出的控制系统，能够满足日益多样化的控制对象需求，也为相关技术研发提供一定参考。

关键词：导弹；快速原型设计技术；制导控制系统

制导控制系统共有三种制导方式，遥控制导、寻的制导、复合制导，需依照实际情况，选择对应制导方式，以获得最佳运行效果。文章借助快速原型设计技术，对导弹制导控制系统进行设计，并在实际环境中检测系统性能，不仅能降低制导系统研制周期，还能降低产品开发成本，提升控制系统可靠性，具有十分积极应用价值。

1 系统架构设计与运行原理

导弹制导控制系统构成较为复杂，包含导引头、舵机、加速度计、测角仪等部件，当制导控制系统运行时，会按照预定规律进行运转，在系统启动至目标达成期间，各种部件相互协调，不断修正导弹飞行路线，并控制各类协作部件[1]。该控制系统功能的实现，需要多个模块协作完成，如导引头，其作用是接收目标物位置信号；舵机，其作用是控制导弹运行轨迹和姿态；角速度计，其作用是测量导弹姿态。本文设计的制导控制系统基于RTLAB实时仿真器，组成部件分别为RTLAB仿真主机及目标机、转换装置及各种驱动程序、QNX实时操作系统、应用编程接口等，通过TCP/IP实现主机和目标机之间的有效连接，并借助IEE-39实现多个仿真目标机之间的连通。

在该设计制导控制系统工作期间，会综合使用仿真主机多项功能，包括算法模型开发、状态实时监控、人机交互等，能够满足系统模型开发、离线仿真、参数调整等需求。工作人员在控制平台上，利用已经开发好的模型，对其进行编译，使其自动转化为二进制代码，自动下载至目标机，依次完成各项仿真模拟程序运行。

2 快速原型设计技术特点及应用

1988年，快速原型设计技术诞生，主要功能为将产品设计成果转化为三维实体模型。经过长期发展，该技术应用范围逐渐扩大，集成度高，可参与至一套原型开发系统从产品设计至测试全过程[2]。而且，该技术适用面积广泛，能够用于M/S、C等算法模型集成与代码实时生成，提供多样化应用程序接口，可以在多个软件或应用程序内实现全部功能；仿真模型设计时，I/O硬件接口以工具箱模块工具形式存在，可随意增减，其驱动程序开发模板按照定义运行，使用便捷。

快速原型设计技术在制导控制系统中的设计流程为：系统需求分析→系统设计及离线仿真（分析RTLAB+Matlab/Simulink）→确定是否满足设计要求（YES）→原型样机验证→再次验证是否满足设计要求（YES）→半实物仿真测试→验证是否满足设计要求（NO）→查看系统设计是否存在问题、更改产品硬件部分设计→再次进行半实物仿真测试（YES）完成系统设计工作。其中，在确定各项设计指标均得到满足后，设计人员要按照测试原则将模型分割，加入Simulink硬件接口；并将模型各子系统一一转化为切实可操作的执行文件，将文件下载至目标机后，验证是否满足要求。在半实物仿真测试阶段，为提升测试效率，可以直接将飞控仿真模型加载至硬件平台开展仿真试验，并一一比对仿真结果与控制系统原型样机结果，若比对数据基本一致，表明该原型样机能够反映控制系统设计性能，就能够完成半实物仿真，获得更加切近真实的结果，更好地控制设计系统性能[3]。

3 制导控制系统快速原型设计技术分析及应用

3.1 系统集成平台设计

制导控制系统集成平台设计形式为分布式设计，系统包含算法设计、软件开发及半实物仿真实验等功能[4]。该系统由飞控软件仿真平台、算法设计平台、飞控部件测试设备等构成，其中，飞控软件仿真平台，具有快速原型设计元件开发调试、动态仿真等功能，由主控制机、接口处理、目标计算机、中断控制等组成。要实现上述功能，需要建立相应模型，以舵机模型为例，各翼面舵机数学模型如下：

式中，——舵机自然频率；——阻尼比。

算法设计平台，由PC机组（制导控制系统算法设计和数字仿真）、图形工作站（制导过程视景、曲线显示等）、操作系统组成，通过TCP/IP及光纤反射内存卡将软硬件联系成一个整体，创建良好数字集成环境。

飞控部件测试设备，其构成部件较为复杂，包含总控制机、发控电气接口、惯性元件模拟器、导引头通信接口等，在飞控系统部件电气性能和工作性能测试中，可独立完成或者参与完成测试工作，是半实物仿真必不可少测试设备和产品接口。其中，总控制机负责管理整个测试流程，与其他试验系统相互通信，控制各分系统工作时序；总控制机还具备运行、控制产品实物仿真程序的作用，并建立仿真实验数据库，分析比对各项数据，为系统优化提供有效参考。

3.2 系统软件设计

在快速原型模型建立和实时代码自动生成中，基于快速原型设计技术特点，设计一种软件平台。Matlab/Simulink具有图形功能强大、编程简单、可安装丰富硬件工具包等优势，是目前较为常用的一种工具。系统软件设计开发包含仿真总控平台设计、通信扩展模块开发、飞控仿真模型设计等，依照仿真需求，设计一款包含模型运行状态实时监控、数据存储、数据图形化等功能的快速原型控制平台界面，界面左侧由上至下依次为模型管理、状态监控（LAM）、串口通信设置，右侧为图形显示、串口数据接收。

3.3 测试结果

针对该制导控制系统仿真测试，设定发射角度为45℃，按照系统流程完成操作后，相关信息通过串口传输至上位机，偏航角、俯仰角经通信协同传输至上位机，得到相应结果。结果显示，快速原型仿真数据结果和数字仿真、实体仿真等结果基本一致，虽然存在部分干扰和波动，但整体结果显示良好，说明快速原型作为导弹制导控制系统设计关键技术，能根据半实物仿真试验结果，持续调整相关参数，进一步优化控制系统，并为同类型产品研发提供有效参考。

结束语

总之，快速原型设计技术作为一种设计技术，目前在多个领域均有较好发展前景。本文设计一款基于RT_LAB实时仿真器建立起的快速原型开发系统，具有十分积极的应用优势，能够应用导弹制导控制系统优化和研发，能充分发挥各项系统、仿真平台及技术人员优势，降低研发成本。研制出的产品可满足多类仿真任务需求，可见，在制导系统研研发重要应用快速原型设计技术，具有十分广泛的应用前景。

参考文献

[1]张宽桥,杨锁昌,张凯,刘畅. 导弹制导控制系统一体化设计方法研究综述[J]. 飞航导弹,2018,(05):76-80.

[2]杨启帆. 无人机拦阻着陆仿真系统快速原型设计与开发[D].南京航空航天大学,2020.

[3]付强. 考虑布儒斯特角的防空导弹制导控制系统设计[D].哈尔滨工业大学,2020.

[4]张鑫,刘丽滨,艾夏禹,杨理华.基于快速原型技术的主动控制实验研究[J].舰船科学技术,2021,43(15):24-28.

万辉：男，（1979.10-），高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为飞行器制导与控制及系统仿真。

李媛：女，（1992.06-），工程师，硕士研究生，主要从事军事情报研究。