鸭舵式探空火箭姿态控制系统仿真平台开发
发布时间：2023-01-31 02:31
探空火箭以其发射灵活、低成本等优势广泛应用于气象探测、微重力实验、空间科学验证等近地空间探测和科学实验,越来越得到各航天大国的重视。本文针对无控探空火箭落点散布大、抗干扰能力不强、发射环境受限的问题,提出采用鸭舵系统实现探空火箭简易控制,完成了鸭舵式探空火箭姿态控制系统仿真平台的开发。在火箭研制阶段辅助工作人员完成箭体设计和性能评估,在确保火箭成功发射、降低发射成本、保护发射人员及周边人员生命财产安全等方面有着重要意义。本文以姿态控制系统的基本结构为框架,在对控制对象、舵执行机构和控制器进行深入分析的基础上,结合计算机仿真技术完成了该仿真平台的开发,主要研究内容如下:首先,针对鸭舵式探空火箭的力学环境进行分析,基于牛顿运动定理和动量矩定理推导了箭体姿态动力学模型。同时,考虑到模型复杂的非线性耦合现象,基于泰勒级数线性化理论和小扰动假设建立了小偏差姿态动力学模型,并完成了基准弹道参数的变步长迭代求解。其次,在明确鸭舵工作要求的基础上,完成了舵执行机构的结构设计。基于Adams软件建立鸭舵执行机构的虚拟样机模型,完成了鸭舵机构动力学仿真分析,从仿真结果可以看出该机构具有良好的动态特性,能够...
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题来源及研究背景和意义
1.1.1 课题的来源
1.1.2 课题的研究背景和意义
1.2 相关领域的研究现状
1.2.1 探空火箭的研究现状
1.2.2 探空火箭简控系统研究现状
1.2.3 航天器仿真技术的国内外研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 鸭舵式探空火箭动力学建模与仿真
2.1 引言
2.2 建模假设
2.3 坐标系的定义
2.3.1 基本坐标系
2.3.2 坐标变换矩阵
2.4 探空火箭的力学模型
2.4.1 重力模型
2.4.2 推力模型
2.4.3 气动力和气动力矩模型
2.5 探空火箭姿态动力学模型
2.6 探空火箭动力学模型的简化
2.6.1 泰勒级数线性化理论[55]
2.6.2 小偏差增量形式的动力学模型
2.7 探空火箭动力学仿真分析
2.8 本章小结
3 鸭舵执行机构结构设计与仿真
3.1 引言
3.2 舵执行机构结构设计
3.2.1 舵执行机构的设计目标
3.2.2 舵执行机构结构描述
3.3 基于Adams的舵执行机构动力学仿真分析
3.3.1 虚拟样机模型建立
3.3.2 驱动力与作用力的添加
3.3.3 舵执行机构动力学仿真分析
3.4 本章小结
4 鸭舵式探空火箭姿态控制系统设计与分析
4.1 引言
4.2 探空火箭姿态控制系统的结构和功能
4.2.1 姿态控制系统的结构
4.2.2 姿态控制系统的功能
4.3 姿态控制系统的状态空间模型
4.4 无控刚性箭体的稳定性分析
4.5 基于PID理论的控制器设计
4.6 姿态控制系统仿真分析
4.6.1 姿态控制系统复频域仿真分析
4.6.2 姿态控制系统时域仿真分析
4.7 本章小结
5 探空火箭姿态控制系统仿真平台软件实现
5.1 引言
5.2 探空火箭姿态控制系统仿真平台的整体设计
5.2.1 仿真平台的设计要求
5.2.2 仿真平台的整体结构
5.3 探空火箭姿态控制系统仿真平台的关键技术
5.3.1 仿真平台开发环境及其配置
5.3.2 MATLAB与VisualC++的交互技术
5.3.3 MATLAB与MySQL数据库连接技术
5.4 探空火箭姿态控制系统仿真平台设计方案
5.4.1 界面层设计方案
5.4.2 程序层设计方案
5.4.3 数据库层设计方案
5.5 探空火箭姿态控制系统仿真平台实例验证
5.5.1 探空火箭姿态控制系统仿真平台功能验证
5.5.2 探空火箭姿态控制系统仿真平台可靠性验证
5.6 本章小结
6 总结与展望
6.1 研究内容总结
6.2 研究方向展望
致谢
参考文献
攻读硕士期间发表的论文和获得专利情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]鸭舵式火箭弹的气动特性及控制能力分析[J]. 王朋飞,周前进. 兵器装备工程学报. 2017(11)
[2]低成本高超声速试验火箭姿态控制方法[J]. 吴东升,郑忠培,丁智坚. 宇航学报. 2017(09)
[3]鸭式布局探空火箭气动特性实验研究[J]. 郑佩,张兵峰,李晓晖. 科学技术与工程. 2017(25)
[4]航天科技集团探空火箭发射 助力空间环境垂直探测[J]. 魏京华. 中国航天. 2016(06)
[5]基于HLA的载人航天器飞行任务仿真平台研究与实现[J]. 石小林,栾文博. 航天器环境工程. 2016(01)
[6]100km附近大气密度模型的误差带和置信度[J]. 万田,刘洪伟,樊菁. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(12)
[7]固体火箭发动机喷管的结构设计与性能仿真[J]. 户艳,刘思濛,刘焕玲,邵晓东. 计算机技术与发展. 2015(08)
[8]某飞行器的气动特性计算及仿真[J]. 倪原,戴凯,刘智平,张辉. 西安工业大学学报. 2015(03)
[9]探空火箭用S19简控系统发展概况[J]. 陈华兵,刘桂玲,彭勤素,杨军. 中国航天. 2014(10)
[10]航天器运输的力学数据采集、存储和分析方法[J]. 祝亚宏,刘广通,冯琪,刘兴悦,李晓欢. 航天器环境工程. 2014(05)
博士论文
[1]探空火箭仿真及协同设计系统关键技术研究[D]. 彭涛.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
硕士论文
[1]空气舵系统频响特性分析及试验研究[D]. 范文洋.哈尔滨工业大学 2016
[2]考虑铰链间隙的空气舵传动机构动力学建模及分析[D]. 李忠洪.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于HLA 某导弹系统半实物实时视景仿真研究[D]. 邓洪涛.上海交通大学 2011
[4]航天器姿态控制系统仿真平台的研究[D]. 姚非.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于HLA的探空火箭仿真系统的轨道仿真模块体系结构与实现[D]. 王孜.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2010
[6]航天器控制系统通用仿真技术研究[D]. 李松青.国防科学技术大学 2008
[7]基于HLA的运载火箭飞行仿真系统体系结构设计与实现[D]. 敬锦.电子科技大学 2007
[8]二维弹道修正装置设计[D]. 周中华.南京理工大学 2006
本文编号：3733641
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题来源及研究背景和意义
1.1.1 课题的来源
1.1.2 课题的研究背景和意义
1.2 相关领域的研究现状
1.2.1 探空火箭的研究现状
1.2.2 探空火箭简控系统研究现状
1.2.3 航天器仿真技术的国内外研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 鸭舵式探空火箭动力学建模与仿真
2.1 引言
2.2 建模假设
2.3 坐标系的定义
2.3.1 基本坐标系
2.3.2 坐标变换矩阵
2.4 探空火箭的力学模型
2.4.1 重力模型
2.4.2 推力模型
2.4.3 气动力和气动力矩模型
2.5 探空火箭姿态动力学模型
2.6 探空火箭动力学模型的简化
2.6.1 泰勒级数线性化理论[55]
2.6.2 小偏差增量形式的动力学模型
2.7 探空火箭动力学仿真分析
2.8 本章小结
3 鸭舵执行机构结构设计与仿真
3.1 引言
3.2 舵执行机构结构设计
3.2.1 舵执行机构的设计目标
3.2.2 舵执行机构结构描述
3.3 基于Adams的舵执行机构动力学仿真分析
3.3.1 虚拟样机模型建立
3.3.2 驱动力与作用力的添加
3.3.3 舵执行机构动力学仿真分析
3.4 本章小结
4 鸭舵式探空火箭姿态控制系统设计与分析
4.1 引言
4.2 探空火箭姿态控制系统的结构和功能
4.2.1 姿态控制系统的结构
4.2.2 姿态控制系统的功能
4.3 姿态控制系统的状态空间模型
4.4 无控刚性箭体的稳定性分析
4.5 基于PID理论的控制器设计
4.6 姿态控制系统仿真分析
4.6.1 姿态控制系统复频域仿真分析
4.6.2 姿态控制系统时域仿真分析
4.7 本章小结
5 探空火箭姿态控制系统仿真平台软件实现
5.1 引言
5.2 探空火箭姿态控制系统仿真平台的整体设计
5.2.1 仿真平台的设计要求
5.2.2 仿真平台的整体结构
5.3 探空火箭姿态控制系统仿真平台的关键技术
5.3.1 仿真平台开发环境及其配置
5.3.2 MATLAB与VisualC++的交互技术
5.3.3 MATLAB与MySQL数据库连接技术
5.4 探空火箭姿态控制系统仿真平台设计方案
5.4.1 界面层设计方案
5.4.2 程序层设计方案
5.4.3 数据库层设计方案
5.5 探空火箭姿态控制系统仿真平台实例验证
5.5.1 探空火箭姿态控制系统仿真平台功能验证
5.5.2 探空火箭姿态控制系统仿真平台可靠性验证
5.6 本章小结
6 总结与展望
6.1 研究内容总结
6.2 研究方向展望
致谢
参考文献
攻读硕士期间发表的论文和获得专利情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]鸭舵式火箭弹的气动特性及控制能力分析[J]. 王朋飞,周前进. 兵器装备工程学报. 2017(11)
[2]低成本高超声速试验火箭姿态控制方法[J]. 吴东升,郑忠培,丁智坚. 宇航学报. 2017(09)
[3]鸭式布局探空火箭气动特性实验研究[J]. 郑佩,张兵峰,李晓晖. 科学技术与工程. 2017(25)
[4]航天科技集团探空火箭发射 助力空间环境垂直探测[J]. 魏京华. 中国航天. 2016(06)
[5]基于HLA的载人航天器飞行任务仿真平台研究与实现[J]. 石小林,栾文博. 航天器环境工程. 2016(01)
[6]100km附近大气密度模型的误差带和置信度[J]. 万田,刘洪伟,樊菁. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(12)
[7]固体火箭发动机喷管的结构设计与性能仿真[J]. 户艳,刘思濛,刘焕玲,邵晓东. 计算机技术与发展. 2015(08)
[8]某飞行器的气动特性计算及仿真[J]. 倪原,戴凯,刘智平,张辉. 西安工业大学学报. 2015(03)
[9]探空火箭用S19简控系统发展概况[J]. 陈华兵,刘桂玲,彭勤素,杨军. 中国航天. 2014(10)
[10]航天器运输的力学数据采集、存储和分析方法[J]. 祝亚宏,刘广通,冯琪,刘兴悦,李晓欢. 航天器环境工程. 2014(05)
博士论文
[1]探空火箭仿真及协同设计系统关键技术研究[D]. 彭涛.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2011
硕士论文
[1]空气舵系统频响特性分析及试验研究[D]. 范文洋.哈尔滨工业大学 2016
[2]考虑铰链间隙的空气舵传动机构动力学建模及分析[D]. 李忠洪.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于HLA 某导弹系统半实物实时视景仿真研究[D]. 邓洪涛.上海交通大学 2011
[4]航天器姿态控制系统仿真平台的研究[D]. 姚非.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于HLA的探空火箭仿真系统的轨道仿真模块体系结构与实现[D]. 王孜.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2010
[6]航天器控制系统通用仿真技术研究[D]. 李松青.国防科学技术大学 2008
[7]基于HLA的运载火箭飞行仿真系统体系结构设计与实现[D]. 敬锦.电子科技大学 2007
[8]二维弹道修正装置设计[D]. 周中华.南京理工大学 2006
本文编号：3733641
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3733641.html
