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113609字博士毕业论文导弹侧向力和气动力一体化管理的结构与设计方法研究

论文类型:博士毕业论文
论文字数:113609字
论点:控制,导弹,气动力
论文概述:

本文是博士生论文,针对采样控制设计依赖脉冲发动机输出模型的问题,设计了SDRE控制律和Theta-D控制律,获得了保证闭环系统稳定性的充分条件。

论文正文:

第一章螺纹理论

碰撞杀伤要求拦截导弹的高响应速度和制导精度。为了提高反空导弹的响应速度和可用过载,采用常规方向舵控制和非常规控制相结合已成为现代反空导弹的必然选择。主要有两种非常规控制方法:推力矢量控制和直接侧向力控制
2.2坐标系定义和导弹数学模型
这里,脉冲发动机在所有方向上实际点火的推力效果相当于脉冲发动机在俯仰和偏航方向上的点火效果,点火次数y zn n可以是整数或小数,例如,在1oyz平面的第一象限中在45°方向上的脉冲发动机有一次点火,so = 0.707 yn = 0.707 Zn。此外,在设计控制器时,假设正点火次数由于脉冲发动机安装在质心之前,俯仰通道上的正点火数产生正俯仰力矩,而偏航通道上的正点火数产生负偏航力矩。气动力和力矩受速度、高度、迎角、侧滑角、方向舵偏角和角速度等参数的影响,其具体表达式主要取决于导弹的气动形状和运动状态。根据前面的假设(3),忽略次要因素,空气动力和力矩可以近似表示为线性形式(2-30)和(2-31)。由于缺乏相关数据,马格努斯力矩暂时不计入偏航和偏航力矩。。推力矢量控制通过改变发动机的推力方向,在射弹的横向产生推力分量,从而调节射弹的姿态。直接侧向力控制,也称为反作用射流控制、直接力控制等。,通过直接在其侧面产生侧向推力来改变射弹的姿态。与常规控制相比,这两种控制方法能快速产生控制力和力矩,不受飞行速度和空空气密度的影响,从而提高导弹的机动性和敏捷性。推力矢量控制一般通过摆动尾喷管来改变导弹的飞行方向和速度,在大偏轴角发射时,可以明显减小最小攻击距离,扩大导弹的攻击范围。直接侧向力控制通过点燃侧向脉冲发动机产生的侧向推力来改变导弹姿态,可以有效改善可用过载,缩短过载响应时间,提高末段飞行控制性能。相对而言,直接侧向力控制采用低成本固态脉冲发动机,是一种成熟可靠的控制方法。推力矢量控制技术的工程实现需要进一步发展。直接侧向力控制技术已成功应用于反空导弹系统,如美国的PAC-3和俄罗斯的C-400。这两个反空系统的拦截导弹在拦截大气中的目标时,都采用直接侧向力和气动力联合控制技术。
……

第二章直接侧向力和气动力复合控制导弹的数学模型及特性参数分析

2.1引言
文件[85]将常见的复合控制设计分为三个概念。在第一种方法中,采用控制量分配方法。首先计算虚拟控制量,然后通过指令分配算法将虚拟控制量分配给气动力和直接侧向力两个子系统分别响应。二是前馈-反馈控制设计。首先,过载命令按照一定的原则分为两部分。然后,主反馈系统由气动响应命令的一部分形成,前馈回路由对命令的另一部分的直接侧向力响应形成。第三种方法是并行双环反馈方法。气动力和直接侧向力分别形成两个子回路,共同响应过载误差指令。在第一种设计中,虚拟控制量通常采用转矩控制量,这可以保证两个控制力在产生转矩时作用在同一方向,加速弹丸姿态的调整,从而提高响应速度。在前馈-反馈控制设计中,作为前馈量的直接侧向力的输出将直接叠加在气动控制的过载输出上,从而加速指令响应速度。第三种设计模式的并联双环反馈结构比控制量分布的并联反馈结构更复杂,直接侧向力和气动力的匹配方式不明显。采样控制设计采用第三种设计方法,提高过载响应速度的原因不直观。本章将着重从跟踪性能极限的角度对这种方法进行分析。

[6]

第三章复合控制导弹的非线性最优控制方法……40
3.1导言……40
3.2复合控制导弹加速度跟踪模型……42
3.3 SDRE控制设计和稳定性分析.............................................46
第4章复合控制导弹间接鲁棒控制方法……68
4.1导言……68
4.2复合控制导弹的虚拟鲁棒控制.........69
第5章复合控制导弹制导与控制系统仿真..............................91
5.1导言..............................91
5.2拦截模拟模型.........92

第五章复合控制导弹制导控制系统仿真

5.1
本文介绍了复合控制导弹自动驾驶仪的三种设计方法,即线性模型采样控制法、非线性模型两步设计法和间接鲁棒控制法。根据前三章的讨论,通过对单个特征点的仿真,验证了每种设计方法的有效性。采用这三种方法设计的五个控制器可以达到良好的加速度跟踪效果,闭环跟踪系统具有稳定性。本章选取采样控制、θ-D控制和红外-θ-D控制作为检测对象,将这三种控制方法进一步应用于导弹对目标的拦截仿真,并对拦截过程中几种方法的性能进行了检测。完整的拦截仿真包括导弹和目标运动过程的仿真、导弹和目标相对运动过程的检测、视线角和角速度的滤波、基于视线角速度的制导和制导指令的跟踪控制等。它模拟了导弹从发射到命中目标的整个过程。根据导弹与目标之间的相对运动和速度,导弹的整个飞行过程分为初始制导段、中间制导段和末制导段。

5.2拦截仿真模型
脉冲发动机不仅推力大小和工作循环不能调整,而且只能在开关状态下工作,不能重复使用。脉冲发动机组共有180台发动机,沿弹体纵轴安装在10圈内,每圈18台发动机,相邻两圈交错排列。沿着射弹的纵轴向前看,有36排脉冲发动机。5行36列的矩阵用于描述脉冲发动机组的点火状态。矩阵元素分别为0和1,表示脉冲引擎的不可用和可用状态。矩阵的行数和列数对应于脉冲马达的位置,其中当从尾部观察时与炸弹系统10Y重合的列被定义为第一列,而离质心最远的圆被定义为第一行。脉冲发动机的点火由点火算法进行分配。点火算法输出待点火脉冲发动机组的行号和列号,相应的发动机点火输出直接侧向力。射流和脉冲发动机进气流之间的相互作用产生横向射流干扰。侧向射流干扰力干扰因子和力矩干扰因子的描述。干扰因素由导弹飞行高度、飞行马赫数、同时发射的脉冲发动机数量、迎角等因素决定,并通过风洞试验获得其数值。在仿真中,通过查表实时获得力干涉因子和力矩干涉因子。
……

结论

本文研究了姿态控制复合控制拦截导弹末制导段的直接侧向力和气动力复合控制问题。本文首先建立了复合控制导弹的非线性和线性控制模型,提出了复合控制导弹的特征参数分析方法,并用特征参数指导线性采样控制设计。针对采样控制设计依赖于脉冲发动机输出模型的问题,提出了基于非线性控制模型的两步设计法和间接鲁棒控制法两种思想,分别设计了两种控制律。最后,将三种有代表性的控制方法应用于导弹对目标的拦截仿真,并在大规模系统仿真中考察了这三种控制方法的性能。论文的主要创新成果如下:(1)提出了姿态控制复合控制导弹的性能特征参数,揭示了气动控制和复合控制在尾控导弹跟踪性能极限方面的区别。对于复合控制导弹的非线性和线性控制模型,分别提出不稳定零动态和非最小相位零作为表征导弹控制系统跟踪性能的特征参数。利用跟踪性能极限理论完成了导弹控制系统的跟踪性能分析。根据性能极限理论,纯气动控制可以提供有限的跟踪性能,而复合控制可以实现完美的跟踪。如果跟踪性能要求超过纯气动控制的性能极限,必须采用复合控制。采样控制设计考虑了脉冲发动机的矩形输出特性。如果气动控制器设计合理,直接侧向力控制的被控对象只包含远离虚轴的非最小相位零点,复合控制下的跟踪性能极限小于纯气动控制下的跟踪性能极限,可以达到比气动控制更好的跟踪效果。如果气动控制器设计不合理,直接侧向力控制的受控对象将包含其他非最小相位零点,这将对复合控制设计带来不利影响。
(2)为了解决采样控制设计依赖于脉冲发动机输出模型的问题,提出了一种两步设计方法。设计了SDRE控制律和θ-D控制律,得到了保证闭环系统稳定性的充分条件。
……

参考文献(省略)