可控滚转二维弹道修正机构的研究

发布时间：2020-11-13 08:21

　　 二维弹道修正弹是常规制导弹药中的一种,其能够在射程和方向上对飞行弹道进行若干次修正,实现对目标较为精确的打击。弹道修正机构是弹道修正弹上的关键部件,其属于二维修正弹的执行机构。修正机构性能的好坏决定了弹道修正能力,影响到弹药的打击精度。弹道修正方法有两类:分别为气动力修正和直接力修正,其对应的典型执行机构分别为空气舵机和射流元件。对于尾翼稳定的低速旋转弹,舵机和射流元件均可实现弹道的二维修正。但是对于高速旋转稳定弹,常规的舵机和射流元件由于响应速度慢则无法应用在旋转稳定弹上作为其弹道修正机构。为了实现高速旋转稳定弹的二维弹道修正,有必要研制一种新型弹道修正机构。本文以原有的130mm制式弹为基础,研制了一种可控滚转的固定舵片式二维弹道修正机构。应用此种修正机构后,改进的130mm高速旋转稳定弹将具备二维弹道修正能力。首先,设计了二维弹道修正机构的总体方案。修正机构的内部核心是一组以磁场作为能量转换媒介的机电能量转换元件,其由镶嵌在外壳体内部的永磁体和固定在弹体内轴上的线圈绕组两大部分组成。修正机构可工作在发电机和电动机两种工作模式下,通过电磁转矩改变外壳体相对惯性空间的运动状态。文中定义了修正机构的外部坐标系,相继设计了基于脉冲比较的外壳体滚转角直接控制方法和基于转速差异的周期平均控制力生成方法,解决了弹道中后期和初期的控制力空间定向问题。并分析了绕组磁势和永磁体磁通密度的产生机理以及两组磁场间的相互作用关系,得到电磁转矩的计算方法,对其内部磁场以及外部结构进行了仿真计算。其次,定义了修正机构的内部坐标系,根据机电能量的转换与耦合原理建立了修正机构的数学模型。并根据磁势等效原则和坐标变换理论,对修正机构的数学模型进行了逐步简化。在数学模型的简化过程中,得出了修正机构稳定运行的基本条件。在稳定运行基本条件的约束下,为了实现修正机构内部两组磁场的解耦,文中将空间矢量控制技术应用到了修正机构的驱动策略中,实现了电动机模式下电磁转矩的解耦控制。并分析了修正机构的基本动态过程。再次,从修正机构自身控制的灵活性、对弹体旋转稳定性的影响等方面分别对比了电动机工作模式和发电机工作模式的优点和局限性,并根据全弹道过程中弹丸运动参数的变化情况,提出了对修正机构的分时分段控制思想。随后进一步简化了发电机和电动机工作模式下的数学模型,得到了不同负载电阻下发电机的机械特性曲线。并利用滑模变结构控制技术,分别针对发电机工作模式和电动机工作模式设计了自适应积分滑模控制器和模糊滑模控制器,通过数值仿真,证明了滑模变结构控制器对修正机构自身参数的摄动以及外部力矩的扰动具有很强的鲁棒性。为了提高修正机构的可靠性,降低修正机构的成本,本文对修正机构应用了无传感器控制技术。首先设计了常规滑模观测器,通过重构绕组电流估计绕组反电动势进而获得外壳体和弹体内轴间的相对电角度。针对常规滑模观测器因抖振而引起的观测角度滞后,精度不高的问题,本文进一步设计了扩展滑模观测器,通过直接观测绕组磁链获取相对电角度。由于扩展滑模观测器自身对抖动具有低通滤波特性,因此扩展滑模观测器不仅保持了较好的鲁棒性,还抑制了抖振带来的不利影响,提高了角位置观测精度。最后,针对本文所设计的二维弹道修正机构,搭建了一套仿真测试系统。一方面模拟了修正机构的实际工作环境;另一方面测定了修正机构自身的参数。实验证明:针对高速旋转稳定弹,本文所设计的二维弹道修正机构方案得当,稳定可靠,完全可以应用于本文背景项目中130mm制式榴弹上以及其他滚转制导弹药上。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TJ410
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号说明
第1章 绪论
    1.1. 课题研究背景和意义
    1.2. 修正机构的发展状况
        1.2.1. 弹上执行机构的分类
        1.2.2. 弹道修正方法
        1.2.3. 修正机构的研发与应用
        1.2.4. 修正机构的比较
    1.3. 永磁同步电机与弹上执行机构
        1.3.1. 永磁同步电机的应用与特点
        1.3.2. 永磁同步电机的驱动控制方法
        1.3.3. 永磁同步电机的无传感器控制
        1.3.4. 现代控制理论的应用
    1.4. 本文的研究内容与章节安排
第2章 修正机构方案与系统设计
    2.1. 引言
    2.2. 修正机构的系统组成
        2.2.1. 修正机构的修正原理
        2.2.2. 修正机构的机械结构
        2.2.3. 修正机构的电气组成
    2.3. 修正机构的控制原理
        2.3.1. 修正机构的外部坐标系
        2.3.2. 修正机构的脉冲测量与控制方法
        2.3.3. 基于转速差异的平均控制力控制方法
    2.4. 修正机构中的磁场分析与绕组设计
        2.4.1. 修正机构中的磁场与电磁转矩
        2.4.2. 修正机构的绕组设计
    2.5. 本章小结
第3章 修正机构的教学建模及驱动策略
    3.1. 引言
    3.2. 修正机构的内部坐标系及数学模型
        3.2.1. 修正机构的内部坐标系
        3.2.2. 修正机构的数学模型
        3.2.3. 修正机构稳定运行的基本条件
    3.3. 修正机构的驱动策略
        3.3.1. 修正机构的空间矢量控制
        3.3.2. 修正机构的基本动态过程
    3.4. 本章小结
第4章 修正机构的控制策略设计与分析
    4.1. 引言
    4.2. 修正机构的分时分段控制方法
    4.3. 滑模变结构控制方法
        4.3.1. 滑模变结构控制的基本思想
        4.3.2. 滑动模态对扰动的不敏感性
        4.3.3. 滑模变结构控制存在的问题
    4.4. 发电机模式下的积分滑模控制
        4.4.1. 发电机模式下的模型简化
        4.4.2. 基于极点配置的切换函数确定方法
        4.4.3. 自适应积分滑模控制器设计
        4.4.4. 数值仿真分析
    4.5. 电动机模式下的模糊滑模控制
        4.5.1. 滑模变结构控制器设计
        4.5.2. 模糊控制器设计
        4.5.3. 数值仿真分析
    4.6. 本章小结
第5章 修正机构的无线传感器控制
    5.1. 引言
    5.2. 开环估计方法
    5.3. 滑模观测器的设计与分析
        5.3.1. 滑模变结构控制在观测器中的应用
        5.3.2. 常规滑模观测器的设计与分析
        5.3.3. 扩展滑模观测器的设计与分析
        5.3.4. 数值仿真分析
    5.4. 本章小结
第6章 修正机构的仿真测试系统级实验分析
    6.1. 引言
    6.2. 仿真测试系统的方案
        6.2.1. 仿真测试系统的组成
        6.2.2. 工控机模块及测试软件
        6.2.3. 电动机模块
        6.2.4. 传感器模块
        6.2.5. 测试台架及附属机构
    6.3. 修正机构的测试与分析
        6.3.1. 空载摩擦转矩的测量
        6.3.2. 发电机模式下的满载电磁转矩测量
        6.3.3. 外壳体滚转角控制实验
    6.4. 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1. 本文研究工作及创新点
        7.1.1. 本文的研究工作
        7.1.2. 本文的主要创新点
    7.2. 对研究工作的展望和建议
参考文献
攻读学位期间发表论文与研究成果
致谢
作者简介


本文编号：2881973