【摘要】：變質(zhì)心控制技術(shù)是通過調(diào)整飛行器內(nèi)部活動體與殼體的相對位置使系統(tǒng)質(zhì)心發(fā)生變化,從而改變氣動力臂實現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的控制。與傳統(tǒng)的氣動舵控制方式相比,變質(zhì)心控制技術(shù)的優(yōu)點是執(zhí)行機構(gòu)位于飛行器內(nèi)部,不必考慮舵面燒蝕問題。因此這種控制方式非常適合在大氣層內(nèi)飛行的高超聲速飛行器機動。但安裝在飛行器內(nèi)部的滑塊會破壞載體內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而增加滑塊布局的設(shè)計難度。因此對滑塊布局進行合理的優(yōu)化設(shè)計是變質(zhì)心控制技術(shù)實現(xiàn)真正工程化的先決條件。此外,滑塊在運動過程中會引起慣性主軸偏移,這種偏移不僅會導(dǎo)致通道間的耦合,而且會引起陀螺效應(yīng)從而增加附加慣性力矩。因此由飛行器和滑塊共同構(gòu)成的動力學(xué)系統(tǒng)是一個強耦合、強非線性的動態(tài)系統(tǒng)。這些因素使得系統(tǒng)的動力學(xué)特性異常復(fù)雜,并且對控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高要求。本文將針對上述若干問題進行深入研究。為解決滑塊布局與機動能力之間的沖突,本文首先提出一種大質(zhì)量比單滑塊與噴氣控制組合的姿態(tài)BTT控制模式。根據(jù)所提出的滑塊布局,建立變質(zhì)心飛行器完整的動力學(xué)模型,包括姿態(tài)動力學(xué)和滑塊動力學(xué)模型。為了揭示變質(zhì)心飛行器的控制機理,針對滑塊控制的俯仰通道的線性模型,研究包括攻角與滑塊偏轉(zhuǎn)角的配平關(guān)系、穩(wěn)定條件、控制能力及動態(tài)特性等問題。結(jié)果表明滑塊的質(zhì)量比和質(zhì)心距是影響變質(zhì)心飛行器控制機理的重要參數(shù)。采用多尺度方法和分岔理論對包含滑塊動力學(xué)的完整非線性俯仰動力學(xué)系統(tǒng)進行振動模態(tài)和分岔方面的分析。首先建立攻角與滑塊偏轉(zhuǎn)角的耦合動力學(xué)微分方程組,其中滑塊運動耦合導(dǎo)致的動力學(xué)方程中出現(xiàn)的立方非線性項會激發(fā)系統(tǒng)的內(nèi)共振現(xiàn)象。而這一現(xiàn)象是無法通過分析線性模型來揭示的。采用多尺度方法研究系統(tǒng)內(nèi)共振的動力學(xué)行為,給出一階近似解情況下定常解的幅頻響應(yīng)關(guān)系。此外,大質(zhì)量比滑塊的弧線運動增加了系統(tǒng)的非線性特性,滑塊偏轉(zhuǎn)角的變化以及總體參數(shù)、氣動參數(shù)等的變化都將會引起系統(tǒng)動力學(xué)行為的突變而產(chǎn)生分岔。因此著重從總體參數(shù)和氣動參數(shù)方面對飛行器俯仰姿態(tài)平衡態(tài)的影響進行開環(huán)非線性分岔特性分析,并對平衡分支的穩(wěn)定性和分岔點進行分析,為飛行器參數(shù)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。提出基于浸入與不變流形理論的俯仰姿態(tài)/伺服控制律及一體化自適應(yīng)控制律。由于大質(zhì)量比單滑塊在運動過程中產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)動慣量導(dǎo)致姿態(tài)與伺服系統(tǒng)之間的運動耦合,因此按照姿態(tài)跟蹤回路和滑塊位置回路設(shè)計思路,基于浸入與不變流形理論設(shè)計雙回路控制器。并且針對該理論中偏微分方程求解困難的問題,重新設(shè)計目標(biāo)系統(tǒng)從而簡化了設(shè)計過程。針對雙回路控制系統(tǒng)存在的一些不足,從飛行器整體耦合控制模型出發(fā),仍然基于浸入與不變流形方法,設(shè)計俯仰通道的姿態(tài)/伺服一體化控制系統(tǒng)來提高控制的動態(tài)品質(zhì),并且設(shè)計估計器來補償氣動參數(shù)不確定性�；谝惑w化控制器形成的閉環(huán)系統(tǒng)動力學(xué)模型,分別以質(zhì)量比和指令攻角為分岔參數(shù)開展閉環(huán)非線性分岔特性研究,對控制器的設(shè)計提供重要動力學(xué)信息。針對本文所設(shè)計的變質(zhì)心BTT控制方案,提出了基于浸入與不變流形理論的多通道耦合控制器。通過對變質(zhì)心飛行器多通道耦合控制模型的分析發(fā)現(xiàn),滾轉(zhuǎn)和偏航通道通過附加轉(zhuǎn)動慣量耦合為了欠驅(qū)動的滾偏子系統(tǒng)。因此采用坐標(biāo)變換方法將原系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為級聯(lián)系統(tǒng),然后在此基礎(chǔ)之上設(shè)計欠驅(qū)動控制器。結(jié)果表明相比于全驅(qū)動控制方式,本文提出的欠驅(qū)動控制不僅能夠減少能耗,而且降低了噴氣發(fā)動機的控制邏輯難度。最后研究了變質(zhì)心飛行器末制導(dǎo)問題,提出了一種基于運動偽裝理論適的三維制導(dǎo)律。首先基于彈目瞬時視線旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)給出一種雙二階相對動力學(xué)模型,依據(jù)運動偽裝理論特點分析了攔截條件。然后通過對攔截條件和相對運動模型進一步分析發(fā)現(xiàn),三維制導(dǎo)律的設(shè)計可以簡化在二維的視線瞬時旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)進行設(shè)計,從而降低了設(shè)計難度。最后結(jié)合對目標(biāo)機動的估計,給出了基于運動偽裝理論的變質(zhì)心飛行器末制導(dǎo)律。所設(shè)計的制導(dǎo)律不僅形式簡單,而且具有響應(yīng)速度快、末端過載小的特點。
【圖文】：

圖 1-1 滑塊穩(wěn)定系統(tǒng)Fig. 1-1 Artificial space station and stabilizer configuration體火箭發(fā)動機的上面級在自旋過程中會產(chǎn)生章動運動，現(xiàn)。荷蘭學(xué)者 Janssens[ 8, 9]將滑塊與彈簧組合為一滑塊

圖 1-2 滑塊-彈簧系統(tǒng)Model configuration and mass制系的 Gohary[ 10, 11, 12]著重研態(tài)運動設(shè)計一種配置三個
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V249.1

【參考文獻】

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本文編號：2613442