输入受限下自旋制导炮弹的自适应控制

发布时间：2020-10-01 20:42

　　 制导炮弹技术是兵器科学领域的重要发展分支。在自旋制导炮弹飞行过程中,弹体围绕纵轴旋转在俯仰和偏航通道之间引起一定的空气动力学耦合特性。此外,其气动参数也呈现不确定性、大范围变化的现象且由于执行机构的输出受限制,系统易进入非线性饱和状态。这无疑增加了控制系统设计难度。本文基于此,研究受限控制问题,建立线性与非线性动力学模型,采用PID算法、抗饱和PID算法、滑模算法、反演算法、抗饱和补偿算法、受限辅助算法设计控制器,实现角速度与过载的稳定控制,主要包括:1.以牛顿力学为理论基础,对自旋制导炮弹所受的力和力矩进行分析,建立6自由度弹道模型,采用“小扰动”、线性化假设,并结合“系数冻结法”,建立了线性动力学模型,再利用拉氏变换推导出弹体传递函数。基于传递函数的模型,设计设计满足性能指标的三回路自动驾驶仪、抗饱和三回路自动驾驶仪。三回路自动驾驶仪的设计采用根轨迹法设计阻尼环、增稳环,利用频域分析与时域分析相结合进行验证,并采用PID算法设计过载环;在三回路自动驾驶仪的设计的基础上,采用抗饱和(Anti-windup)补偿器设计补偿反馈,完成抗饱和三回路自动驾驶仪的设计。通过对比仿真,结果表明:抗饱和补偿器能够抑制饱和、减小超调。2.为了研究自旋制导炮弹的非线性控制特性,采用了简化的假设,推导简化的俯仰和偏航通道的耦合动力学模型。为了解决俯仰与偏航通道的耦合非线性问题,采用滑模算法设计双通道自动驾驶仪。双通道滑模控制器的设计,首先结合积分滑模面、微分滑模面以及终端滑模面设计出一种自适应终端滑模面,使得系统快速到达并维持在滑模面上,并采用双曲正切切换函数代替符号切换,以消除系统存在的抖振。其次解决控制饱和引起的非线性问题,为了实现这一目的,本文基于补偿的思想设计出抗饱和补偿控制器,其受限前后的仿真对比结果表明:控制算法可以使得系统输出的跟踪误差为零。3.针对输入受限引起的非线性问题,将自旋制导炮弹简化的耦合动力学模型进行标准化处理,转化为“标准块控”模型,提出采用反步法设计过载和角速度的控制结构,设计了一种受限反演滑模控制律。通过引入带有零阶滑模面和双曲正切切换函数的滑模控制算法,减小了系统抖振,再引入执行机构饱和造成的误差变量,设计受限辅助系统(Auxiliary System)。加入受限辅助系统前后,对比仿真结果表明:受限辅助系统便于提高快速性、减小稳态误差、抑制饱和,能够实现过载的稳定控制。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ413.6
【部分图文】：

（１）阻尼回路的设计逡逑针对式（３．２．９）的弹体传递函数进行动态特性分析，分别输入阶跃指令为１、正弦指逡逑令为ｓｉｎ（１．６；ｒ／），通过运行Ｓｉｍｕｌｉｎｋ得到弹体传递函数的阶跃响应和正弦响应如图３．２逡逑和３．３所示逡逑３００邋逦＇逦＇逦１逦＇逦邋２００邋逦！逦■逦１逦．逦逡逑，２００邋（１逦，１００｜１邋Ａ邋Ａ！邋Ａ邋／逡逑Ｉ１００逦逦逦邋ｉ邋°邋／＼／＼／＼／逡逑■逦－邋Ｉ。。昝胃邋ｖ逡逑－２００邋逦＇逦＇逦＇逦＇逦邋－２００邋逦ｊ逦＇逦；逦１逦逡逑０逦１逦２邋Ｔ／ｓ邋３逦４逦５逦０逦１逦２邋Ｔ／ｓ邋３逦４逦５逡逑图３．２俯仰角速度阶跃响应逦图３．３俯仰角速度正弦响应逡逑由图３．２可知：系统处于欠阻尼状态，俯仰角速度逐渐衰减，但一开始震荡剧烈，逡逑超调量比较大，过渡品质差，调节时间长，总体收敛较慢。此时，可以通过设计阻尼回逡逑路达到增大阻尼的目的，减小其增益来增加其稳定性。利用经验法，设计阻尼为０．７左逡逑右。阻尼回路设计如图４所示：逡逑————逡逑逦逦—＿ｌ逡逑逦ｎｒｙ—逡逑图３．４阻尼回路逡逑利用根轨迹法选取独立参数々，，在阻尼回路中，传输函数就是弹体开环传递函数。逡逑因此通过Ｍａｔｌａｂ计算获得根轨迹如图３．５逡逑３０逡逑

＇１）逡逑图３．５弹体的根轨迹图逡逑从图３．５可以看出，当从根轨迹中选择阻尼为０．７１２时，参数的值为０．２６３。下面逡逑验证：选取增益＆邋＝０．２６３，在引入阻尼回路前后，弹体的频域特性和时域特性都有所逡逑改善。如图３．６和１７为弹体的伯德图和带有俯仰角速度反馈的伯德图；图３．８和图３．９逡逑为弹体带有阻尼回路弹体的阶跃响应和正弦响应。逡逑Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逦Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑Ｇｍ邋＝邋Ｉｎｆ邋，邋Ｐｍ邋＝邋９９．２邋ｄｅｇ邋（ａｔ邋２１．３邋ｒａｄ／ｓ）逦Ｇｍ邋＝邋Ｉｎｆ，邋Ｐｍ邋＝邋Ｉｎｆ逡逑２０邋￣￣￣￣￣￣－邋０邋邋邋邋逦—逦逦逦逦逡逑ｍ邋１０邋＇逦／＇逦ｍ－１０邋■逦／逦＼逡逑Ｓ逦／邋＼逦Ｂ逦／逦＼逡逑＜ｖ邋０逦0）逦／逦＇逡逑１逦／邋Ｋ邋ｉ－２°－逦／逦＼逡逑＆－，0－邋／邋！邋＼邋§．邋逦一，邋＼逡逑２逦－２０－邋，邋５邋－３0邋＼逡逑逦、逡逑－３０逦＊—一逦■￣￣逦？—■—‘一逦——逦１—…丨…一逦＇—逦」逡逑９０邋￣—逦逦逦逦逦逦逦逦逦逦逦逦逦ｎ逦９０逦１一邋逦＾￣＾＞邋逦逦逦逦＾逡逑僔４５逦１逦ｆ４５＇

０．７０７逡逑１５邋■逦－逡逑■ｒ邋ｉ0Ｌ邋■逡逑ｗ逦／逡逑ｃ逦／逦Ｓｙｓｔｅｍ：邋Ｌｓｙｓ逡逑８邋５邋＇逦／逦Ｇａｉｎ：邋０．２６３逡逑｜逦Ｉ逦Ｐｏｌｅ：邋－９．１７邋＋邋９．０４ｉ逡逑？吴逦0邋逦Ｊ逦Ｄａｍｐｉｎｇ：邋０．７１２逡逑＜逦＼逦Ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ邋（％）：邋４．１３逡逑＾逦￥逦＼邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（ｒａｄ／ｓ）：邋１２．９逡逑ＴＯ逦、逡逑１－１０邋＼逡逑－１５逦■逡逑０７０７逡逑－２０邋逦＇逦：逦逦逦１逦逡逑－２０逦－１０逦０邋１０邋２０逡逑Ｒｅａｌ邋Ａｘｉｓ邋（ｓｅｃｏｎｄｓ＇１）逡逑图３．５弹体的根轨迹图逡逑从图３．５可以看出，当从根轨迹中选择阻尼为０．７１２时，参数的值为０．２６３。下面逡逑验证：选取增益＆邋＝０．２６３，在引入阻尼回路前后，弹体的频域特性和时域特性都有所逡逑改善。如图３．６和１７为弹体的伯德图和带有俯仰角速度反馈的伯德图；图３．８和图３．９逡逑为弹体带有阻尼回路弹体的阶跃响应和正弦响应。逡逑Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逦Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑ｍ邋＝邋ＩｎｆＰｍ邋＝邋９９．２邋ｄｅａｔ邋２１．３邋ｒａｄ／ｓｍ邋＝邋ＩｎｆＰｍ邋＝邋Ｉｎｆ逡逑

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 张亚婷;王伟;;基于开环穿越频率的伪攻角反馈驾驶仪设计[J];航天控制;2015年03期

2 杨青运;陈谋;;具有输入饱和的近空间飞行器鲁棒控制[J];控制理论与应用;2015年01期

3 常思江;王中原;刘铁铮;;鸭式布局双旋弹飞行动力学建模与仿真[J];弹道学报;2014年03期

4 陈圣;王旭刚;;基于浸入与流形不变的制导炮弹非线性自适应控制[J];电光与控制;2014年03期

5 郑濵鹏;陈星阳;李海峰;;伪攻角反馈驾驶仪的极点配置设计方法[J];现代防御技术;2014年01期

6 刘金琨;龚海生;;有输入饱和的欠驱动VTOL飞行器滑模控制[J];电机与控制学报;2013年03期

7 杨荣军;王良明;孙瑞胜;;基于反馈线性化的制导炮弹弹道控制系统设计[J];火力与指挥控制;2013年01期

8 徐平;王伟;林德福;;导引头隔离度对末制导炮弹制导控制的影响[J];弹道学报;2012年01期

9 刘涛;李俊民;;未知控制方向非线性时滞系统部分状态反馈鲁棒自适应控制[J];工程数学学报;2011年06期

10 修观;王良明;郭志强;;一种滑翔增程弹非线性模型预测控制方法[J];南京理工大学学报;2011年05期

本文编号：2831984