本文關(guān)鍵詞：動能攔截器固體姿控發(fā)動機的研究

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【摘要】：動能攔截器通過直接碰撞的方式攔截目標(biāo)，因此對姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制精度提出極高的要求。姿控發(fā)動機作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其性能對姿態(tài)控制系統(tǒng)具有重要作用。本文以動能攔截器的固體姿控發(fā)動機為研究對象，設(shè)計了一種閥門噴嘴結(jié)構(gòu)形式的固體姿控發(fā)動機并進行理論與實驗研究，對固體姿控發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，性能測試及工程應(yīng)用等方面具有一定的指導(dǎo)意義。 提出實現(xiàn)“三軸穩(wěn)定”的姿控發(fā)動機布局方案及性能指標(biāo)，采用閥門噴嘴結(jié)構(gòu)形式對固體姿控發(fā)動機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對姿控發(fā)動機內(nèi)部控制氣腔的壓力動態(tài)特性和氣路的流量特性進行分析，并對活塞運動過程中的運動阻力進行研究，從而建立姿控發(fā)動機工作過程的非線性數(shù)學(xué)模型。 對姿控發(fā)動機工作過程中活塞所受到的氣動阻力進行節(jié)流理論計算、數(shù)值仿真和實驗研究，得到氣動阻力與活塞位移的非線性關(guān)系。通過實驗測試得到兩側(cè)控制氣腔的壓力變化曲線并與數(shù)學(xué)模型的仿真結(jié)果對比從而驗證數(shù)學(xué)模型的正確性。對姿控發(fā)動機的動態(tài)延遲時間進行分析，提出一種使用霍爾元件測試活塞位置信號從而對延遲時間進行測試的間接測試方法。 對數(shù)學(xué)模型進行線性化，并通過理論和實驗研究噴嘴擋板間隙變化對姿控發(fā)動機動態(tài)性能的影響。分析燃氣和壓縮空氣兩種工作介質(zhì)對姿控發(fā)動機的性能影響，指出兩種工作介質(zhì)對靜態(tài)推力和活塞運動所受氣動阻力的影響很小，而對其動態(tài)性能影響顯著，為姿控發(fā)動機的檢測和驗收提供了理論依據(jù)。 提出以控制氣流的質(zhì)量與燃氣總質(zhì)量的比值表征該結(jié)構(gòu)形式姿控發(fā)動機的工作效率，并以延遲時間和工作效率為優(yōu)化指標(biāo)采用自適應(yīng)差分進化算法對姿控發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行Pareto多目標(biāo)優(yōu)化，，并得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 采用傳統(tǒng)的動態(tài)力直接測試方法對姿控發(fā)動機的動態(tài)推力進行測試，并根據(jù)姿控發(fā)動機動態(tài)推力的特點設(shè)計一種新型的單擺式間接測試系統(tǒng)。建立兩種測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并分析測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、數(shù)據(jù)處理方法和測試誤差。針對直接測試曲線中的高頻振蕩設(shè)計動態(tài)補償環(huán)節(jié)并取得良好的補償效果。對間接測試系統(tǒng)在不同的測試條件下進行實驗研究并分析了動態(tài)力幅值和延遲時間的一致性對測試結(jié)果的影響。通過將兩種測試方法進行對比得出間接測試系統(tǒng)具有結(jié)果簡單，數(shù)據(jù)易于處理等優(yōu)點，同時在延遲時間的測試上可以達到很高的精度。 對動能攔截器末制導(dǎo)階段的姿態(tài)控制方案進行仿真研究。結(jié)合姿控發(fā)動機的特點設(shè)計了變頻率脈寬調(diào)制控制方法，對脈寬調(diào)制控制方法中產(chǎn)生的抖動問題進行分析。研究了延遲時間的變化和一致性對控制性能的影響，并采用地面燃氣實驗過程中姿控發(fā)動機的延遲時間進行仿真，結(jié)果表明減小延遲時間有利于提高控制精度，而延遲時間的一致性對控制精度產(chǎn)生較大影響。
【關(guān)鍵詞】：固體姿控發(fā)動機 動態(tài)延遲時間 燃氣實驗 優(yōu)化設(shè)計 動態(tài)力測試 脈寬調(diào)制控制
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2;V43
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 圖表目錄8-16
• 第1章 緒論16-30
• 1.1 課題研究背景及意義16-20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢20-28
• 1.2.1 固體姿控發(fā)動機的研究現(xiàn)狀20-24
• 1.2.2 優(yōu)化設(shè)計的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.3 動態(tài)力測試技術(shù)的研究現(xiàn)狀25-27
• 1.2.4 動能攔截器姿態(tài)控制的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容28-30
• 第2章 固體姿控發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論研究30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 固體姿控發(fā)動機的布局方案30-33
• 2.2.1 三姿控發(fā)動機布局方案30-31
• 2.2.2 四姿控發(fā)動機布局方案31-32
• 2.2.3 姿控發(fā)動機布局方案的確定32-33
• 2.2.4 固體姿控發(fā)動機的技術(shù)指標(biāo)及性能要求33
• 2.3 姿控發(fā)動機的結(jié)構(gòu)方案33-35
• 2.4 姿控發(fā)動機的工作機理35-44
• 2.4.1 控制氣腔壓力動態(tài)特性的研究36-40
• 2.4.2 氣路流量特性分析40-42
• 2.4.3 活塞運動阻力分析42-44
• 2.5 姿控發(fā)動機的數(shù)學(xué)模型44-46
• 2.6 姿控發(fā)動機的初步設(shè)計結(jié)果46-47
• 2.7 小結(jié)47-48
• 第3章 姿控發(fā)動機性能的仿真和實驗研究48-84
• 3.1 引言48
• 3.2 姿控發(fā)動機模型仿真48-57
• 3.2.1 模型參數(shù)分析49
• 3.2.2 氣動阻力的研究49-54
• 3.2.3 數(shù)學(xué)模型仿真54-56
• 3.2.4 數(shù)學(xué)模型的驗證56-57
• 3.3 姿控發(fā)動機延遲時間研究57-63
• 3.3.1 電磁鐵延遲時間的測試58-59
• 3.3.2 一種姿控發(fā)動機延遲時間的間接測試方法59-63
• 3.4 姿控發(fā)動機模型的線性化研究63-70
• 3.4.1 壓力流量特性及線性化63-66
• 3.4.2 數(shù)學(xué)模型的線性化66-69
• 3.4.3 模型參數(shù)及仿真分析69-70
• 3.5 間隙對姿控發(fā)動機的性能影響70-73
• 3.5.1 間隙對閥系數(shù)的影響70-71
• 3.5.2 間隙對延遲時間影響的仿真計算71-72
• 3.5.3 間隙對延遲時間影響的實驗研究72-73
• 3.6 壓縮空氣和燃氣的性能對比73-82
• 3.6.1 靜態(tài)推力的對比74-75
• 3.6.2 氣動阻力的對比75-76
• 3.6.3 工作介質(zhì)對閥系數(shù)的影響76-77
• 3.6.4 動態(tài)延遲時間的對比77-80
• 3.6.5 熱傳導(dǎo)對動態(tài)性能的影響80
• 3.6.6 燃氣實驗小結(jié)80-82
• 3.7 小結(jié)82-84
• 第4章 基于 Pareto 差分進化算法的姿控發(fā)動機優(yōu)化設(shè)計84-96
• 4.1 引言84
• 4.2 姿控發(fā)動機性能影響參數(shù)分析84-87
• 4.2.1 延遲時間影響參數(shù)85
• 4.2.2 工作效率影響參數(shù)85-87
• 4.3 優(yōu)化設(shè)計問題的提出87-89
• 4.3.1 設(shè)計變量87-88
• 4.3.2 目標(biāo)函數(shù)的建立88
• 4.3.3 約束條件88-89
• 4.4 差分進化算法89-92
• 4.4.1 差分進化算法簡介89
• 4.4.2 差分進化算法流程89-91
• 4.4.3 差分進化算法的自適應(yīng)調(diào)節(jié)91-92
• 4.5 Pareto多目標(biāo)優(yōu)化算法92-93
• 4.5.1 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的概念92
• 4.5.2 Pareto 最優(yōu)解和 Pareto 方法92-93
• 4.5.3 Pareto 差分進化算法93
• 4.6 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果93-95
• 4.6.1 Pareto差分進化算法的實現(xiàn)93-94
• 4.6.2 優(yōu)化結(jié)果分析94-95
• 4.7 小結(jié)95-96
• 第5章 姿控發(fā)動機動態(tài)推力的測試方法96-122
• 5.1 引言96-97
• 5.2 動態(tài)推力的直接測試方法97-106
• 5.2.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測試原理97-98
• 5.2.2 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型98-99
• 5.2.3 測試結(jié)果處理及誤差分析99-103
• 5.2.4 推力測試的動態(tài)補償技術(shù)103-106
• 5.3 動態(tài)推力的間接測試方法106-120
• 5.3.1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測試原理107-108
• 5.3.2 動態(tài)推力間接測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型108-109
• 5.3.3 測試系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)及測試誤差分析109-112
• 5.3.4 一致性對測試結(jié)果的影響112-115
• 5.3.5 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理115-117
• 5.3.6 測試系統(tǒng)的實驗研究117-120
• 5.4 兩種動態(tài)力測試方法的對比120-121
• 5.5 小結(jié)121-122
• 第6章 動能攔截器末制導(dǎo)階段姿態(tài)控制的研究122-139
• 6.1 引言122-123
• 6.2 KKV 姿態(tài)控制問題的描述123-125
• 6.3 KKV 姿態(tài)控制方案設(shè)計125-128
• 6.3.1 俯仰通道控制方案設(shè)計125-126
• 6.3.2 偏航和滾轉(zhuǎn)通道控制方案設(shè)計126-128
• 6.4 變頻率 PWM 控制方法128-132
• 6.4.1 系統(tǒng)模型和變頻率 PWM 控制方法128-131
• 6.4.2 PWM線性化方法產(chǎn)生的固有抖動131-132
• 6.5 末制導(dǎo)段的姿態(tài)控制仿真132-134
• 6.6 姿控發(fā)動機性能對控制效果的影響134-138
• 6.6.1 延遲時間變化對控制精度的影響135-136
• 6.6.2 延遲時間一致性對控制精度的影響136
• 6.6.3 實際延遲時間對控制精度的影響136-138
• 6.7 小結(jié)138-139
• 結(jié)論139-142
• 參考文獻142-148
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單148-149
• 致謝149

【參考文獻】

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1 徐斌;基于差分進化算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法研究及其應(yīng)用[D];華東理工大學(xué);2013年

本文編號：581193