制导炸弹控制系统设计及卡死情况下控制分配问题研究

发布时间：2020-11-16 08:05

　　 制导炸弹是各国大力发展并广泛使用的精确制导武器,投放空域大、命中精度高且外形结构简单。当今制导炸弹的实际应用一方面需要保证精度,另一方面需要降低成本。高精度低成本制导炸弹正是当今重要的发展趋势之一。制导炸弹飞行全程气动参数摄动大、内外扰动剧烈,为实现高精度要求需要控制系统具有强鲁棒性;若仅使用弹上四片气动操纵舵面的三片就可以实现稳定控制,则可以取消不参与控制过程的舵面对应的舵机,这样的改造可使制导炸弹成本显著降低。本文在此背景下,从实际工程应用角度出发,主要研究制导炸弹古典控制和自抗扰控制两种方法以及舵面卡死故障模式下的控制指令分配问题。首先,建立了能够描述制导炸弹空间运动状态的全量6DOF数学模型;依据小扰动线性化假设推导了线性扰动运动方程组,并给出三通道解耦的控制模型;基于质点运动3DOF模型设计了一条标准弹道。其次,基于古典控制理论,分别对三通道设计了PID控制器;以高度作为调度参数在标准弹道上选取特征点,利用“系数冻结”法求得动力系数,并通过时频域分析设计了控制参数;以增益定序的方式进行6DOF仿真和蒙特卡洛打靶。然后,针对单点PID控制参数全局鲁棒性差,而增益定序无法在理论上进行稳定性证明的不足,同时考虑到制导炸弹飞行全程内部参数摄动大和外部扰动不确定性大,采用自抗扰控制(ADRC)设计了三通道控制器,角度环和角速度环均采用ADRC控制,过载环则使用PI控制;闭环系统稳定性通过Lyapunov方法进行证明;在特征点处进行三通道控制参数设计,单点仿真、6DOF仿真和蒙特卡洛打靶证明了ADRC比古典控制具有更强的鲁棒性和抗扰能力。最后,为解决利用三片气动操纵舵面进行控制的控制分配问题,根据伪逆法计算量小但未能考虑舵面位置约束,而不动点迭代法能够将约束限制加入优化过程得特点,提出了以伪逆法计算结果作为迭代初值,再通过不动点迭代寻优的操纵舵面混合控制分配方法;基于该方法进行故障模式下控制分配6DOF仿真,结果表明控制指令能够被准确分配到三片操纵舵面上,实现制导炸弹的稳定控制。综上,本文的研究内容可为自抗扰在制导炸弹控制中的应用以及导弹容错控制相关方向提供有益参考,为现有制导炸弹的低成本化改造提供研究思路。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TJ414
【部分图文】：

1.2 国内外相关领域研究进展1.2.1 制导炸弹国内外研究现状制导炸弹的打击精度高、结构设计简单且使用方便，是战争中广泛使用的空对地精确打击武器，也是当今世界各国的研究热点之一[3]。制导炸弹的起源可以追溯到 20 世纪 40 年代，德国在二战期间使用的“弗利兹-X”炸弹最早应用于战争的一种制导炸弹。越南战争期间，美军在军事目标打击中使用了白星眼（Walleye)电视制导炸弹和和宝石路（Paveway）激光制导炸弹等新型制导体制炸弹[4]。随后，多制导体制制导炸弹广泛应用于海湾战争。海湾战争后，美军针对现有制导炸弹在实战存在的缺点，提出了“恶劣天气用精确制导弹药（AWPGM）”计划[5]，旨在发展一种具有多目标攻击能力、全天候攻击、昼夜攻击的先进高精度打击制导炸弹。美军在该计划下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制导炸弹和 LGB-250 激光制导炸弹在内的多种具有不同作战用途的制导炸弹[6]。国外有代表性的制导炸弹外形示意图如以下各图所示。

1.2 国内外相关领域研究进展1.2.1 制导炸弹国内外研究现状制导炸弹的打击精度高、结构设计简单且使用方便，是战争中广泛使用的空对地精确打击武器，也是当今世界各国的研究热点之一[3]。制导炸弹的起源可以追溯到 20 世纪 40 年代，德国在二战期间使用的“弗利兹-X”炸弹最早应用于战争的一种制导炸弹。越南战争期间，美军在军事目标打击中使用了白星眼（Walleye)电视制导炸弹和和宝石路（Paveway）激光制导炸弹等新型制导体制炸弹[4]。随后，多制导体制制导炸弹广泛应用于海湾战争。海湾战争后，美军针对现有制导炸弹在实战存在的缺点，提出了“恶劣天气用精确制导弹药（AWPGM）”计划[5]，旨在发展一种具有多目标攻击能力、全天候攻击、昼夜攻击的先进高精度打击制导炸弹。美军在该计划下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制导炸弹和 LGB-250 激光制导炸弹在内的多种具有不同作战用途的制导炸弹[6]。国外有代表性的制导炸弹外形示意图如以下各图所示。

制导炸弹的起源可以追溯到 20 世纪 40 年代，德国在二战期间使用的“弗利兹-X”炸弹最早应用于战争的一种制导炸弹。越南战争期间，美军在军事目标打击中使用了白星眼（Walleye)电视制导炸弹和和宝石路（Paveway）激光制导炸弹等新型制导体制炸弹[4]。随后，多制导体制制导炸弹广泛应用于海湾战争。海湾战争后，美军针对现有制导炸弹在实战存在的缺点，提出了“恶劣天气用精确制导弹药（AWPGM）”计划[5]，旨在发展一种具有多目标攻击能力、全天候攻击、昼夜攻击的先进高精度打击制导炸弹。美军在该计划下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制导炸弹和 LGB-250 激光制导炸弹在内的多种具有不同作战用途的制导炸弹[6]。国外有代表性的制导炸弹外形示意图如以下各图所示。图 1-1 小直径制导炸弹 SDB 图 1-2 手术刀制导炸弹
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本文编号：2885830