偏转头导弹动力学建模与控制问题研究

发布时间：2020-10-28 14:09

　　 随着现代战争的日益复杂化,战术指标也随之提出了更高的要求,因此对导弹的控制技术要求有更高的性能。偏转弹头作为一种新颖的导弹控制方式,使导弹控制系统能够满足快速响应的性能需求,与传统的尾舵控制相比,该方式具备更高的机动性,能够大大缩短响应时间,并且拥有良好的气动特性。本文针对偏转头导弹动力学建模及其控制方案进行了如下研究。导弹头部相对弹身转动不但会对导弹的气动特性产生一定的影响,而且使得其动力学模型也会产生相应的变化。因此,为了研究偏转头导弹控制技术,本文首先进行了动力学建模分析。由于弹头偏转特点且弹头质量不可忽略,采用动量及动量矩定理建立了导弹包含多体耦合的动力学方程,在考虑运动耦合项的条件下进行了线性化,推导出了便于自动驾驶仪设计和分析的运动模型。对于偏转弹头导弹,偏转机构是控制系统设计的关键。本文对两种偏转控制机构及其控制方式进行了研究对比分析,建立了机构的控制回路结构,给出了一种合理、简单的偏转弹头控制方案,通过坐标转换推导得出了弹头偏转的控制方式,仿真结果表明所提出的两种机构均能满足系统性能要求,且斜盘式偏转机构能够更准确、快速的实现弹头的偏转控制需求。针对偏转头导弹控制系统设计,首先通过分析弹头偏转对弹体运动的影响,得出了偏转头导弹控制方案。在此基础上,采用耦合通道的独立设计方法,将耦合项视作通道间的扰动;基于经典控制设计了采用双回路结构的控制器,由内而外采用频域法设计,在内外回路设计均保证了系统的稳定性,针对特征点的仿真结果表明本文所设计的控制器是合理的;基于有限时间稳定理论和高阶滑模变结构控制方法,推导了过载跟踪误差状态方程,设计了保证有限时间收敛的变结构过载跟踪控制规律。从得到的仿真结果来看,本文所设计的滑模变结构控制规律使导弹响应速度较快且稳态精度较高,并实现了俯仰、偏航运动对滚转运动耦合干扰的抑制,消除了弹头偏转对弹体运动的影响。最后,针对偏转头导弹的导引系统以及制导律设计进行了研究。设计了偏转头导弹导引系统的稳定平台控制器,验证了所设计的控制器的有效性;建立了导弹与目标的相对运动模型,在此基础上设计了一种最优制导律,并通过与经典比例导引进行了对比验证分析,仿真结果表明所设计的最优制导律更具优越性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TJ760
【部分图文】：

服铰链力矩的影响，应使弹头的质心位于在铰链轴上，并且在飞行过程中使弹头部分的??压心保持在铰链轴心，从而能够使得弹头相对弹体不会产生附加的结构和气动载荷，且??当弹头偏转时也不会造成导弹整体质心的变化。偏转头导弹示意图如图２．１所示，为了便??于分析和计算，设导弹弹头之后的部分（称为后体）为圆柱形，弹头为圆锥形。〇为全??弹的总质心，＜９？为弹头的质心为后体的质心。?????ａｔ?ｑ?｜???图２．１偏转头导弹外形示意图??偏转头导弹在弹头不相对弹体偏转时气动外形为轴对称型，为了实现快速性，故可??以采用侧滑机动（ＳＴＴ）的控制方式，导弹滚转运动可以通过设计自动驾驶仪来实现弹体??的稳定。由于偏转弹头没有提供弹体滚转的运动控制，仅提供了俯仰运动和偏航运动的??运动控制。为了方便控制器的设计，因此本文通过在弹体尾部安装空气舵方式控制导弹??的滚转运动。控制模式具体为：在保证弹体滚转稳定的条件下，俯仰运动、偏航运动通??７??

３．２弹头结构及组成??传统意义下得导弹弹头主要由壳体、战斗部、导引头和保证弹头正常完成其功能的??各种装置和系统组成，其导弹的弹头的结构如图３．１所示。??－??４??１－弹头壳体２－弹身中轴线３－战斗部４－导引头５－弹身??图３．１传统弹头结构??然而偏转头导弹的弹头结构在原有结构的基础上又增加了可以控制弹头转动的偏??转机构，如图３．２所示。弹头的组成随导弹及其打击目标的不同而有很大差别，在此只??讨论偏转头导弹弹头结构。??／?４??１－弹头壳体２－弹身中轴线３－战斗部４－导引头??５－偏转机构６－弹身■＿??图３．２偏转头导弹弹头结构??壳体：导弹在飞行时最高速度有可能高达１０？２５倍声速，须承受自身重力３０？５０??１８??

３．２弹头结构及组成??传统意义下得导弹弹头主要由壳体、战斗部、导引头和保证弹头正常完成其功能的??各种装置和系统组成，其导弹的弹头的结构如图３．１所示。??－??４??１－弹头壳体２－弹身中轴线３－战斗部４－导引头５－弹身??图３．１传统弹头结构??然而偏转头导弹的弹头结构在原有结构的基础上又增加了可以控制弹头转动的偏??转机构，如图３．２所示。弹头的组成随导弹及其打击目标的不同而有很大差别，在此只??讨论偏转头导弹弹头结构。??／?４??１－弹头壳体２－弹身中轴线３－战斗部４－导引头??５－偏转机构６－弹身■＿??图３．２偏转头导弹弹头结构??壳体：导弹在飞行时最高速度有可能高达１０？２５倍声速，须承受自身重力３０？５０??１８??
【参考文献】

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本文编号：2860193