發(fā)布時間：2020-08-14 07:45

【摘要】：動能攔截器利用其高速飛行所產(chǎn)生的巨大動能,通過自主探測、制導與控制采用直接碰撞的方式摧毀來襲目標。攔截器進入末制導階段時,為了搜索目標其姿態(tài)經(jīng)常需要大角度調整,定位目標后則需根據(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,實現(xiàn)以“零控脫靶量”為目標的精確攔截。故攔截器姿態(tài)的精準控制對成功命中目標至關重要。本文以動能攔截器姿態(tài)控制系統(tǒng)為研究對象,設計了一種基于附壁射流理論的新型恒定推力固體姿控發(fā)動機,并圍繞考慮姿控發(fā)動機布局形式的攔截器姿態(tài)控制方法及攔截器制導方法展開相關研究工作。分析了可實現(xiàn)“三軸穩(wěn)定”的姿控發(fā)動機布局形式,并根據(jù)對比分析結論確定了附壁射流式姿控發(fā)動機的結構方案。建立了氣體附壁流動數(shù)學模型,研究了位差、側壁傾角、控制口寬度等結構參數(shù)及控制流量對射流偏角、附壁位置、附壁碰撞角等參數(shù)的影響。同時,利用數(shù)值計算方法分析射流的動態(tài)偏轉過程及姿控發(fā)動機穩(wěn)定切換狀態(tài)。根據(jù)壓力流量特性,得出了姿控發(fā)動機入口及出口面積參數(shù)設計范圍。最后給出了設計流程圖并完成姿控發(fā)動機設計。建立了附壁射流式姿控發(fā)動機非線性數(shù)學模型。研究了線圈電阻、驅動電壓、復位彈簧剛度等參數(shù)對電磁執(zhí)行機構動態(tài)特性的影響,以及控制口寬度對射流偏轉與控制氣腔動態(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態(tài)模型,分析了工作氣腔結構參數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響,得到延遲時間隨換向球質量變化的規(guī)律。在此基礎上,通過仿真分析得出電磁執(zhí)行機構觸動階段延遲是降低姿控發(fā)動機動態(tài)特性的主要因素。由于電磁執(zhí)行機構動態(tài)特性直接影響姿控系統(tǒng)的響應速度及控制精度。以電磁執(zhí)行機構快速切換為目標,提出了一種基于脈寬調制的驅動控制量優(yōu)化算法。推導出了占空比及載波周期參數(shù)的設計方法,并證明了平衡位置銜鐵抖動幅度由控制量的直流分量與基波共同決定。通過仿真及實驗,驗證了所設計的控制量優(yōu)化算法對提高姿控發(fā)動機動態(tài)特性的有效性。最后,搭建了動態(tài)推力測試系統(tǒng),完成了姿控發(fā)動機的動態(tài)推力測試。結果表明,設計的附壁射流式姿控發(fā)動機達到了預期設計要求。針對動能攔截器姿控發(fā)動機推力恒定、分散式布局控制力矩的強耦合特性及系統(tǒng)模型存在不確定特點的攔截器姿態(tài)穩(wěn)定跟蹤控制問題,提出了一種基于自適應魯棒反演的新型姿態(tài)控制器設計方法。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系,建立了姿態(tài)控制耦合模型。通過自適應方法對系統(tǒng)內各通道間的耦合及不確定項進行估計及補償,提高了姿態(tài)控制的精度。進一步考慮姿控發(fā)動機動態(tài)特性,提出基于擴張干擾觀測器的姿態(tài)控制算法,通過對系統(tǒng)各通道間的擾動進行估計,實現(xiàn)對控制器的動態(tài)補償及干擾抑制。并利用PWPF調制方法將設計的連續(xù)控制量解算成可直接用于姿態(tài)控制的脈沖控制量,實現(xiàn)了攔截器的數(shù)字變推力控制。仿真結果表明,所設計的基于主動干擾補償思想的動能攔截器姿態(tài)控制算法在參數(shù)攝動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。針對攔截機動目標的動能攔截器制導律設計問題,采用干擾觀測器及滑模變結構控制思想設計了一種基于碰撞航線的制導律。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期碰撞點,并利用干擾觀測器對目標加速度進行有效估計及動態(tài)補償,降低了攔截器所需的過載,并提高了命中時的速度。同時,分別從攔截軌跡,可攔截目標區(qū)域及攔截目標速度范圍對機動目標進行攔截仿真,并與以零化視線角速率為目標設計的有限時間收斂制導律對比,仿真結果表明對于動能攔截器采用基于碰撞航線的滑模制導律具有更好的制導性能。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TJ765
【圖文】：

圖 1.1 動能攔截器原理圖[10]Attitude Control System，ACS）及軌道控制系統(tǒng)能攔截器實現(xiàn)高精度命中目標的重要組成部分。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)，由姿控推進系統(tǒng)及軌控推進系統(tǒng)組成，圖 1.3 為采用該類方案的標準 3 型動能攔截器。姿態(tài)控制系統(tǒng)通常位于攔截器的后部，通過姿控發(fā)動機輸出的矢量推力對攔截器產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，從而實現(xiàn)對攔截器俯仰、偏航、滾轉三通道控制。軌道控制系統(tǒng)布置于攔截器的質心位置，通過軌控發(fā)動輸出的矢量推力產(chǎn)生法向過載，實現(xiàn)對攔截器的軌道控制。目前，絕大多數(shù)在研動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)，由姿控推進系統(tǒng)及軌控推進系統(tǒng)組成，圖 1.3 為采用該類方案的標準 3 型動能攔截器。姿態(tài)控制系統(tǒng)通常位于攔截器的后部，通過姿控發(fā)動機輸出的矢量推力對攔截器產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，從而實現(xiàn)對攔截器俯仰、偏航、滾轉三通道控制。軌道控制系統(tǒng)布置于攔截器的質心位置，通過軌控發(fā)動輸出的矢量推力產(chǎn)生法向過載，實現(xiàn)對攔截器的軌道控制。目前，絕大多數(shù)在研動能攔截器均采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 楊旭;張皎;劉源翔;;基于碰撞航線的動能攔截器滑模制導律設計[J];北京航空航天大學學報;2015年11期

2 李浩;佘浩平;;基于理想視線的彈道成型最優(yōu)導引律[J];兵工學報;2014年08期

3 刁兆師;單家元;;考慮自動駕駛儀動態(tài)特性的含攻擊角約束的反演遞推制導律[J];宇航學報;2014年07期

4 Ran Maopeng;Wang Qing;Hou Delong;Dong Chaoyang;;Backstepping design of missile guidance and control based on adaptive fuzzy sliding mode control[J];Chinese Journal of Aeronautics;2014年03期

5 張友安;黃詰;孫陽平;;帶有落角約束的一般加權最優(yōu)制導律[J];航空學報;2014年03期

6 李丕茂;張幽彤;倪成群;歐陽巍;;共軌噴油電磁閥動態(tài)特性仿真與實驗[J];農(nóng)業(yè)機械學報;2013年05期

7 朱戰(zhàn)霞;韓沛;陳鵬;;基于非線性Terminal滑模的動能攔截器末制導律設計[J];西北工業(yè)大學學報;2013年02期

8 舒燕軍;唐碩;;軌控式復合控制導彈制導與控制一體化反步設計[J];宇航學報;2013年01期

9 Hou Mingzhe;Liang Xiaoling;Duan Guangren;;Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot[J];Chinese Journal of Aeronautics;2013年03期

10 張運喜;孫明瑋;陳增強;;滑模變結構有限時間收斂制導律[J];控制理論與應用;2012年11期

本文編號：2792729