单滑块滚控式变质心高超声速飞行器制导控制

发布时间：2020-04-13 23:19

【摘要】：高超声速滑翔飞行器凭借其长航程、强突防和高打击精度等优势,现已成为世界各大军事强国必争之地并已上升至国家战略层面。变质心控制技术依靠内部可移动滑块实现姿态控制和弹道机动目的,能够良好解决气动舵面烧蚀、气动外形保持、侧喷扰流和燃料限制等工程应用难点,使其在高超声速再入弹头以及高超声速滑翔飞行器的机动控制领域具有明显应用优势。单滑块布局在满足控制性能要求的前提下能够减少执行机构数量以优化飞行器内部结构,同时经济节约制造成本,成为目前较有应用前景的构型方案。因此,本文针对一种单滑块滚控式变质心高超声速飞行器,考虑其属于欠驱动耦合非线性系统且具有固定配平攻角等特有属性,围绕高突防、强稳定和高精度末段再入打击任务中的动力学、制导与控制问题展开研究。首先,考虑地球自转和非球形摄动影响,基于质点系动量定理和动量矩定理建立了完整的系统空间运动模型,揭示了变质心控制的特点;考虑高超声速再入飞行环境下不能沿用传统线性气动系数假设,基于CAV-H飞行试验气动数据建立了气动升力系数和阻力系数模型;鉴于俯仰通道无主动控制输入特点,基于Lyapunov第一法分析了包括滑块安装位置和质量比在内的滑块参数对气动纵向静稳定性和配平攻角的影响,推导了稳定性判据和配平攻角解析表达式,分析结果为滑块参数设计提供了量化参考。接着,考虑到飞行器依靠滚转调整升力面方向实现倾斜转弯机动,设计了滚转单通道自抗扰控制器以完成滚转角指令跟踪,并与线性经典控制器进行了结果对比分析;考虑到整个飞行器在通道交叉耦合和滑块惯性耦合下属于强非线性、强耦合系统,进行了三通道耦合动力学特性分析并针对分析结果所揭示的不能忽略侧滑角镇定控制问题,提出了滚/偏耦合欠驱动自抗扰控制器,基于粒子群优化算法进行了多控制器参数优化,解决了单个滑块控制输入同时实现指令滚转角跟踪和侧滑角镇定控制的此类飞行器的欠驱动控制难点问题,充分利用了单滑块的耦合控制能力。然后,考虑到所研究飞行器配平升力不可调节导致无法沿用传统俯仰-转弯双平面解耦的制导律设计思路,建立了适应此类飞行器的三维制导模型,并设计推导了能够解决剩余升力问题的一般情况下的滚转制导律以提高末端打击精度;考虑到现代战场对飞行器突防能力和制导系统鲁棒性能的更高要求,充分利用飞行器的螺旋弹道特性,设计了螺旋机动突防误差角指令并提出了自适应滑模滚转制导律以跟踪误差角指令,该制导律能够满足末段制导精度要求、机动突防要求和抗干扰能力要求。最后,考虑到实际再入打击任务是在制导系统和控制系统联合作用下完成,设计了“自适应滑模滚转制导+滚/偏耦合欠驱动控制”的制导控制六自由度联合数字离散仿真方案,并设计了两套控制器参数以满足全弹道控制器适用性;六自由度摄动仿真结果表明所提出的控制器能够真实有效解决侧滑耦合扰动以及其他不确定性因素影响并稳定跟踪制导指令,所提出的制导律也能够联合完成高突防、强稳定和高精度的末段再入打击任务。
【图文】：

构型,方案,制导控制

图 1-1 变质心滚控式构型方案[16]2000 年美国的 Chadwick 等人[17]首次将变质心控制应用在了动能拦设计了沿弹体三轴平移运动的三滑块全驱动构型方案。Menon 等004 年在 Chadwick 的研究基础上建立了九自由度运动模型，并针性化后的系统基于极点配置法设计了一套制导控制一体化方案，仿明在小滑块偏移情况下能够完成目标拦截且能相对提高拦截精度。[19]于 2006 年进一步研究了有限视野下的鲁棒制导控制一体化系统鲁棒非线性控制问题转化为微分博弈问题并利用多步法进行求解，表明在目标存在不确定性情况下仍然能够实现拦截。2009 年 Men]继续针对此种三滑块构型的动能拦截弹，采用状态 Riccati 方ate-Dependent Riccati Equation, SDRE）设计了制导控制一体化方案果表明该方法具有控制高效性且能够将脱靶量控制在远小于拦截弹内。2008 年佐治亚理工大学的 Rogers 和 Costello[21,22]研究了横向移运动单滑块对弹丸动力学和运动学特性的影响。其中，在横向作

气动系数,拟合,攻角,升力系数

用以反映阻力系数和升力系数分别单独随攻角和马赫数的变化情况。从图2-3a)中可以看到，阻力系数与攻角成近似二次函数变化关系，与马赫数成近似负指数变化关系；从图 2-3b)中可以看到，，升力系数与攻角成近似线性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1;V448

【相似文献】