双通道控制滚转导弹的控制技术研究

发布时间：2020-07-07 17:28

【摘要】：论文以近程防空滚转导弹需求为依托，结合各类滚转导弹，以其控制技术的研究为重点，为我国滚转导弹的研发提供理论支撑。首先，概述了防空导弹、反坦克导弹和制导炮弹等一类滚转导弹的发展历程与趋势，并总结了滚转导弹控制技术的发展现状、最优控制理论的应用和自适应控制理论的研究成果。建立了滚转导弹俯仰偏航一体化线性数学模型，推导了弹体传递函数矩阵，分析了马格努斯效应产生机理以及滚转通道动力学特性。分析了滚转导弹两位式、三位式和比例式三种执行机构控制原理及特点，总结了双通道比例舵控制的优点。滚转导弹的耦合效应主要包括气动耦合、惯性耦合和控制耦合。首先分析了弹体气动耦合和惯性耦合的特性及对稳定性的影响；推导了比例式舵机动力学在准弹体坐标系下的传递函数矩阵，分析了其控制耦合的频域特性。针对控制耦合效应，采用前馈解耦和串联解耦两种动态解耦方法，并可作为工程上超前安装解耦的理论依据。最后在时域研究了PWM模式带来的控制耦合，使用频谱分析方法获得了这种控制方式下弹体振荡频率、自旋转速和控制频率三者的约束条件。为改善弹体动态特性，分别设计了阻尼单回路、两回路和三回路三种自动驾驶仪，验证了三者抑制耦合的能力。忽略耦合效应以SISO系统设计了阻尼回路，给出动稳定条件，研究了阻尼回路对系统零极点的影响；采用极点配置，对比了SISO系统和MIMO系统设计的两回路驾驶仪，研究表明驾驶仪带宽与其解耦能力正相关，MIMO设计的抑制耦合能力更强；以SISO系统设计三回路驾驶仪，研究表明这种驾驶仪结构可完全消除阶跃指令下系统的耦合运动。运用LQR最优控制理论，分别以SISO系统和MIMO系统为被控对象设计了控制系统，并讨论了权系数与频域指标之间的关系。针对现代控制方法无法保证系统鲁棒性的问题，引入输入乘性不确定性和惯性器件高频未建模动力学作为非结构不确定性，利用小增益定理通过奇异值分析研究了两种控制器的鲁棒性，指出MIMO设计方法的鲁棒性强于采取解耦的SISO设计方法。在舵系统状态无法测量的情况下，设计了LQG/LTR控制器，保证系统的鲁棒性与工程可实现性。针对气动参数不确定性，研究了自适应控制在滚转导弹的应用。首先基于多种控制系统结构，使用局部参数优化MIT方法设计了滚转导弹自适应控制系统。研究表明，当自适应增益或输入过大时，很可能致使MIT方法设计的控制系统发散。为此，使用Lyapunov方法设计滚转导弹MIMO系统两回路自适应控制系统，可使实际MIMO系统与SISO参考模型拥有同等良好的动态特性，但通道耦合运动出现明显的高频振荡；基于具有不确定性的误差积分扩维模型，以LQR设计作为参考模型，使用传统Lyapunov方法设计自适应控制系统，为提高系统鲁棒性，本文对参考模型进行改进，很好地抑制了高频振荡，使系统快、稳、准地跟踪外部指令。针对弹体自旋激光制导武器的特点，提出了半实物仿真总体方案，开发了末制导段制导与控制系统半实物仿真模型；设计了一种导引头闭环半实物仿真试验，采用牛顿迭代与加权最小二乘混合算法，对系统的几何误差进行标定和校正；基于相同的仿真平台，提出一种基于Hermite方法的导引头进动方案设计方法和半实物仿真验证试验，为这类导引头跟踪回路的设计与实现提供支撑。
【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】：TJ765
【图文】：

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图 1.1 拉姆(RAM)近程防空导弹图 1.2 拉姆导弹发射瞬间拉姆气动外形在 AIM-9L 响尾蛇空空导弹的基础上改进而成，制导系统采用红外/雷达双模导引头，可防卫辐射和非辐射目标，并具备发射后不管能力和多种模式作战模式等优势，拦击各种掠海飞行、俯冲飞行的反舰导弹和低空高速飞机[5]。表 1.1 RAM 各项参数与作战指标

拉姆,响尾蛇,气动外形,制导系统

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俄罗斯“箭-2M”近程防空导弹

【参考文献】