【摘要】：動(dòng)能攔截器利用其高速飛行所產(chǎn)生的巨大動(dòng)能,通過自主探測(cè)、制導(dǎo)與控制采用直接碰撞的方式摧毀來襲目標(biāo)。攔截器進(jìn)入末制導(dǎo)階段時(shí),為了搜索目標(biāo)其姿態(tài)經(jīng)常需要大角度調(diào)整,定位目標(biāo)后則需根據(jù)不同的攔截策略控制攔截器的姿態(tài)角跟蹤彈目視線角,實(shí)現(xiàn)以“零控脫靶量”為目標(biāo)的精確攔截。故攔截器姿態(tài)的精準(zhǔn)控制對(duì)成功命中目標(biāo)至關(guān)重要。本文以動(dòng)能攔截器姿態(tài)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種基于附壁射流理論的新型恒定推力固體姿控發(fā)動(dòng)機(jī),并圍繞考慮姿控發(fā)動(dòng)機(jī)布局形式的攔截器姿態(tài)控制方法及攔截器制導(dǎo)方法展開相關(guān)研究工作。分析了可實(shí)現(xiàn)“三軸穩(wěn)定”的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)布局形式,并根據(jù)對(duì)比分析結(jié)論確定了附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。建立了氣體附壁流動(dòng)數(shù)學(xué)模型,研究了位差、側(cè)壁傾角、控制口寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制流量對(duì)射流偏角、附壁位置、附壁碰撞角等參數(shù)的影響。同時(shí),利用數(shù)值計(jì)算方法分析射流的動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)過程及姿控發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定切換狀態(tài)。根據(jù)壓力流量特性,得出了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)入口及出口面積參數(shù)設(shè)計(jì)范圍。最后給出了設(shè)計(jì)流程圖并完成姿控發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。建立了附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型。研究了線圈電阻、驅(qū)動(dòng)電壓、復(fù)位彈簧剛度等參數(shù)對(duì)電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響,以及控制口寬度對(duì)射流偏轉(zhuǎn)與控制氣腔動(dòng)態(tài)特性的影響。利用全橋氣路分析方法建立了工作氣腔的動(dòng)態(tài)模型,分析了工作氣腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響,得到延遲時(shí)間隨換向球質(zhì)量變化的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,通過仿真分析得出電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸動(dòng)階段延遲是降低姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的主要因素。由于電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性直接影響姿控系統(tǒng)的響應(yīng)速度及控制精度。以電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速切換為目標(biāo),提出了一種基于脈寬調(diào)制的驅(qū)動(dòng)控制量?jī)?yōu)化算法。推導(dǎo)出了占空比及載波周期參數(shù)的設(shè)計(jì)方法,并證明了平衡位置銜鐵抖動(dòng)幅度由控制量的直流分量與基波共同決定。通過仿真及實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制量?jī)?yōu)化算法對(duì)提高姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的有效性。最后,搭建了動(dòng)態(tài)推力測(cè)試系統(tǒng),完成了姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)推力測(cè)試。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的附壁射流式姿控發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。針對(duì)動(dòng)能攔截器姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力恒定、分散式布局控制力矩的強(qiáng)耦合特性及系統(tǒng)模型存在不確定特點(diǎn)的攔截器姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤控制問題,提出了一種基于自適應(yīng)魯棒反演的新型姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)方法。充分考慮姿態(tài)控制系統(tǒng)中三通道及姿控推力間的相互耦合關(guān)系,建立了姿態(tài)控制耦合模型。通過自適應(yīng)方法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各通道間的耦合及不確定項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)及補(bǔ)償,提高了姿態(tài)控制的精度。進(jìn)一步考慮姿控發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性,提出基于擴(kuò)張干擾觀測(cè)器的姿態(tài)控制算法,通過對(duì)系統(tǒng)各通道間的擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償及干擾抑制。并利用PWPF調(diào)制方法將設(shè)計(jì)的連續(xù)控制量解算成可直接用于姿態(tài)控制的脈沖控制量,實(shí)現(xiàn)了攔截器的數(shù)字變推力控制。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的基于主動(dòng)干擾補(bǔ)償思想的動(dòng)能攔截器姿態(tài)控制算法在參數(shù)攝動(dòng)及存在不確定干擾的情況下仍然滿足姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤要求。針對(duì)攔截機(jī)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)能攔截器制導(dǎo)律設(shè)計(jì)問題,采用干擾觀測(cè)器及滑模變結(jié)構(gòu)控制思想設(shè)計(jì)了一種基于碰撞航線的制導(dǎo)律。通過姿控系統(tǒng)控制攔截器攻角,使攔截器的速度方向始終指向預(yù)期碰撞點(diǎn),并利用干擾觀測(cè)器對(duì)目標(biāo)加速度進(jìn)行有效估計(jì)及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,降低了攔截器所需的過載,并提高了命中時(shí)的速度。同時(shí),分別從攔截軌跡,可攔截目標(biāo)區(qū)域及攔截目標(biāo)速度范圍對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行攔截仿真,并與以零化視線角速率為目標(biāo)設(shè)計(jì)的有限時(shí)間收斂制導(dǎo)律對(duì)比,仿真結(jié)果表明對(duì)于動(dòng)能攔截器采用基于碰撞航線的滑模制導(dǎo)律具有更好的制導(dǎo)性能。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TJ765
【圖文】：

圖 1.1 動(dòng)能攔截器原理圖[10]Attitude Control System，ACS）及軌道控制系統(tǒng)能攔截器實(shí)現(xiàn)高精度命中目標(biāo)的重要組成部分。截器姿軌控系統(tǒng)主要有兩種類型[7]：1）單軸穩(wěn)定

2）三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)，由姿控推進(jìn)系統(tǒng)及軌控推進(jìn)系統(tǒng)組成，圖 1.3 為采用該類方案的標(biāo)準(zhǔn) 3 型動(dòng)能攔截器。姿態(tài)控制系統(tǒng)通常位于攔截器的后部，通過姿控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的矢量推力對(duì)攔截器產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攔截器俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三通道控制。軌道控制系統(tǒng)布置于攔截器的質(zhì)心位置，通過軌控發(fā)動(dòng)輸出的矢量推力產(chǎn)生法向過載，實(shí)現(xiàn)對(duì)攔截器的軌道控制。目前，絕大多數(shù)在研動(dòng)能攔截器均采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)。

2）三軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)，由姿控推進(jìn)系統(tǒng)及軌控推進(jìn)系統(tǒng)組成，圖 1.3 為采用該類方案的標(biāo)準(zhǔn) 3 型動(dòng)能攔截器。姿態(tài)控制系統(tǒng)通常位于攔截器的后部，通過姿控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的矢量推力對(duì)攔截器產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攔截器俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三通道控制。軌道控制系統(tǒng)布置于攔截器的質(zhì)心位置，通過軌控發(fā)動(dòng)輸出的矢量推力產(chǎn)生法向過載，實(shí)現(xiàn)對(duì)攔截器的軌道控制。目前，絕大多數(shù)在研動(dòng)能攔截器均采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2792729