高超声速滑翔飞行器再入制导控制技术研究

发布时间：2017-07-15 20:03

  本文关键词：高超声速滑翔飞行器再入制导控制技术研究

  更多相关文章： 再入滑翔飞行器 多约束参考轨迹 轨迹跟踪制导 终端最优制导律 协调转弯控制 三通道频带匹配 奇异性抑制

【摘要】：本文以高超声速滑翔飞行器再入滑翔、末端攻击任务为研究背景，紧密跟踪国外先进再入飞行器及其制导控制技术的研究现状和发展趋势，对多约束再入滑翔轨迹规划、参考轨迹跟踪制导、俯冲下压终端多约束最优制导、BTT协调转弯控制、三通道控制系统频带匹配关系及末端指令转换奇异性等关键问题开展了深入研究。主要研究内容包括以下几个方面： 首先，阐述了论文的研究背景与意义，介绍了国外再入飞行器的发展现状，对其制导控制技术的研究现状与趋势进行了详细分析，给出了相关坐标系的定义及转换关系，并建立了描述飞行器运动状态的六自由度方程。 其次，通过分析再入滑翔飞行的任务要求，明确了参考轨迹设计的约束条件，并将约束条件划分为过程约束及终端约束。对动压、过载、驻点热流及准平衡滑翔等过程约束进行转换，分别设计了阻力加速度-速度和高度-速度剖面内的再入走廊，并基于高度-速度剖面完成了纵向参考轨迹设计，轨迹满足终端高度、速度及航程约束，同时给出了以控制量倾侧角可实现性为依据的参考轨迹可行性评价准则。对设计过程进行总结归纳，给出了一种系统、规范的参考轨迹设计流程及任务可达性分析方法。 第三，对不同设计控制量的模型线性化方法误差进行了研究，给出了更具通用性和一般性的线性化模型，并基于线性二次型理论提出了离线及在线计算参考轨迹跟踪制导方法。离线计算方法考虑稳态条件的Riccati代数方程，通过预先装订实时插值的方式计算反馈增益，实现状态偏差的修正；在线计算方法则基于间接Legendre伪谱的思想，通过LGL点实现状态变量及协态变量的离散，在线生成且周期更新指令序列，实现参考轨迹的跟踪。侧向制导则采用基于飞行方向走廊的滚转反向逻辑，满足飞行过程中禁飞区、路径点及终端航向误差的约束条件。 第四，针对俯冲下压攻击终端位置及落角约束推导得到了弹道成型制导律，对制导律的解析特性进行了研究，得到了无量纲加速度、速度及位置的变化规律，并采用伴随法对制导律的无量纲位置及角度脱靶量进行了研究，确定了制导时间至少为15倍制导动力学时间，才能保证脱靶量的收敛；进一步对弹道成型制导律的工程应用特性进行了研究，提出了满足框架角及可用加速度约束的落角约束装订方法。考虑侵彻收攻角任务要求，基于弹道成型制导律的建模思想增加飞行器加速度状态量，并将控制权函数令为剩余飞行时间的幂函数，推导得到了满足终端位置、落角及加速度约束的终端多约束制导律，给出了三项制导权系数及加速度指令随制导阶次的变化规律，并对制导律的无量纲位置、角度及加速度脱靶量特性进行了详细分析。 第五，基于过载控制原理，对偏航通道驾驶仪结构减小干扰输出的能力进行了分析，提出了两回路+PI校正的协调转弯支路设计结构，论证了内回路侧滑角速度反馈实现干扰收敛的本质，并提出了偏航角速度反馈叠加运动学及重力补偿项的侧滑角速度反馈工程实现方法，提高飞行器协调转弯能力。基于BTT耦合模型，研究了俯仰、偏航及滚转三通道控制系统快速性对飞行器控制性能的影响，，提出了三通道频带匹配关系。末端制导律生成的纵向及侧向加速度指令，通过指令转换才能够由BTT飞行器所执行，针对指令转换过程中可能产生的滚转奇异性问题，分析了奇异性产生的本质，并分别针对纵向指令过零及侧向指令小值跳变现象，提出了滚转指令平滑及限幅、相对BTT-90及相对BTT-180指令转换逻辑等抗奇异性策略，并对所提策略的有效性进行了仿真验证。 论文的研究成果将为我国高超声速再入滑翔飞行器的发展提供一定的理论研究依据和工程应用基础。
【关键词】：再入滑翔飞行器 多约束参考轨迹 轨迹跟踪制导 终端最优制导律 协调转弯控制 三通道频带匹配 奇异性抑制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 图表目录12-20
• 第1章 绪论20-33
• 1.1 本论文研究的背景和意义20
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势20-29
• 1.2.1 高超声速再入飞行器的发展现状20-25
• 1.2.2 再入制导控制技术的发展现状及趋势25-29
• 1.3 论文的研究内容和主要贡献29-33
• 1.3.1 论文的主要研究内容29-31
• 1.3.2 论文的主要贡献和创新点31-33
• 第2章 再入滑翔飞行器动力学建模33-44
• 2.1 常用坐标系定义33-34
• 2.2 各坐标系间转换关系34-38
• 2.3 发射坐标系下的飞行器运动方程38-44
• 2.3.1 质心动力学方程39-41
• 2.3.2 质心运动学方程41
• 2.3.3 绕质心动力学方程41-42
• 2.3.4 绕质心运动学方程42
• 2.3.5 建立六自由度运动方程42-44
• 第3章 多约束再入轨迹规划技术研究44-66
• 3.1 再入滑翔运动模型44-45
• 3.2 再入轨迹设计约束45-48
• 3.2.1 过程约束45-48
• 3.2.2 终端约束48
• 3.3 再入飞行走廊分析48-55
• 3.3.1 攻角方案设计49-50
• 3.3.2 基于阻力加速度—速度的再入飞行走廊50-52
• 3.3.3 基于高度—速度的再入飞行走廊52-55
• 3.4 纵向参考轨迹规划55-64
• 3.4.1 初始段轨迹规划56-57
• 3.4.2 滑翔段轨迹规划57-61
• 3.4.3 参考轨迹可行性分析61-64
• 3.5 小结64-66
• 第4章 再入滑翔跟踪制导技术研究66-99
• 4.1 基于LQR的纵向参考轨迹跟踪制导研究66-84
• 4.1.1 线性二次型最优控制原理67-68
• 4.1.2 以剩余航程为自变量的运动模型线性化68-73
• 4.1.3 基于离线解算的LQR跟踪控制器研究73-76
• 4.1.4 基于间接Legendre伪谱法的在线跟踪控制器研究76-84
• 4.2 包含路径点及禁飞区约束的侧向制导策略84-90
• 4.3 制导性能仿真验证90-97
• 4.4 小结97-99
• 第5章 终端多约束最优制导方法研究99-147
• 5.1 具有终端落角约束的弹道成型制导律研究99-121
• 5.1.1 制导律数学建模与推导99-103
• 5.1.2 制导律解析特性研究103-109
• 5.1.3 包含制导动力学系统的无量纲脱靶量109-115
• 5.1.4 制导律的工程应用特性研究115-121
• 5.2 考虑制导动力学的终端多约束制导律121-143
• 5.2.1 终端多约束制导律建模与推导123-128
• 5.2.2 制导权系数特性分析128-130
• 5.2.3 制导律解析特性研究130-134
• 5.2.4 包含制导动力学的制导特性分析134-143
• 5.3 多约束最优制导律仿真验证143-145
• 5.4 小结145-147
• 第6章 BTT控制协调设计技术研究147-176
• 6.1 BTT协调转弯驾驶仪设计研究149-156
• 6.1.1 偏航通道飞行器特性分析149-151
• 6.1.2 协调转弯驾驶仪结构分析151-153
• 6.1.3 内回路反馈特性研究153-154
• 6.1.4 侧滑角速度内回路的工程实现154-156
• 6.2 三通道驾驶仪频带特性研究156-164
• 6.2.1 BTT飞行器控制建模156-159
• 6.2.2 俯仰-滚转通道频带匹配关系研究159-161
• 6.2.3 偏航通道快速性研究161-164
• 6.3 BTT指令转换奇异性研究164-175
• 6.3.1 BTT制导指令生成164-166
• 6.3.2 奇异性原理分析166-169
• 6.3.3 奇异性控制策略研究169-175
• 6.4 小结175-176
• 第7章 总结与展望176-179
• 参考文献179-190
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单190
• 科技进步奖及专利190-192
• 致谢192-194
• 作者简介194

【参考文献】

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本文编号：545498