制導炮彈技術(shù)是兵器科學領(lǐng)域的重要發(fā)展分支。在自旋制導炮彈飛行過程中,彈體圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)在俯仰和偏航通道之間引起一定的空氣動力學耦合特性。此外,其氣動參數(shù)也呈現(xiàn)不確定性、大范圍變化的現(xiàn)象且由于執(zhí)行機構(gòu)的輸出受限制,系統(tǒng)易進入非線性飽和狀態(tài)。這無疑增加了控制系統(tǒng)設(shè)計難度。本文基于此,研究受限控制問題,建立線性與非線性動力學模型,采用PID算法、抗飽和PID算法、滑模算法、反演算法、抗飽和補償算法、受限輔助算法設(shè)計控制器,實現(xiàn)角速度與過載的穩(wěn)定控制,主要包括:1.以牛頓力學為理論基礎(chǔ),對自旋制導炮彈所受的力和力矩進行分析,建立6自由度彈道模型,采用“小擾動”、線性化假設(shè),并結(jié)合“系數(shù)凍結(jié)法”,建立了線性動力學模型,再利用拉氏變換推導出彈體傳遞函數(shù)。基于傳遞函數(shù)的模型,設(shè)計設(shè)計滿足性能指標的三回路自動駕駛儀、抗飽和三回路自動駕駛儀。三回路自動駕駛儀的設(shè)計采用根軌跡法設(shè)計阻尼環(huán)、增穩(wěn)環(huán),利用頻域分析與時域分析相結(jié)合進行驗證,并采用PID算法設(shè)計過載環(huán);在三回路自動駕駛儀的設(shè)計的基礎(chǔ)上,采用抗飽和(Anti-windup)補償器設(shè)計補償反饋,完成抗飽和三回路自動駕駛儀的設(shè)計。通過對比仿真,結(jié)果表明:抗飽和補償器能夠抑制飽和、減小超調(diào)。2.為了研究自旋制導炮彈的非線性控制特性,采用了簡化的假設(shè),推導簡化的俯仰和偏航通道的耦合動力學模型。為了解決俯仰與偏航通道的耦合非線性問題,采用滑模算法設(shè)計雙通道自動駕駛儀。雙通道滑�？刂破鞯脑O(shè)計,首先結(jié)合積分滑模面、微分滑模面以及終端滑模面設(shè)計出一種自適應終端滑模面,使得系統(tǒng)快速到達并維持在滑模面上,并采用雙曲正切切換函數(shù)代替符號切換,以消除系統(tǒng)存在的抖振。其次解決控制飽和引起的非線性問題,為了實現(xiàn)這一目的,本文基于補償?shù)乃枷朐O(shè)計出抗飽和補償控制器,其受限前后的仿真對比結(jié)果表明:控制算法可以使得系統(tǒng)輸出的跟蹤誤差為零。3.針對輸入受限引起的非線性問題,將自旋制導炮彈簡化的耦合動力學模型進行標準化處理,轉(zhuǎn)化為“標準塊控”模型,提出采用反步法設(shè)計過載和角速度的控制結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種受限反演滑�？刂坡�。通過引入帶有零階滑模面和雙曲正切切換函數(shù)的滑�？刂扑惴�,減小了系統(tǒng)抖振,再引入執(zhí)行機構(gòu)飽和造成的誤差變量,設(shè)計受限輔助系統(tǒng)(Auxiliary System)。加入受限輔助系統(tǒng)前后,對比仿真結(jié)果表明:受限輔助系統(tǒng)便于提高快速性、減小穩(wěn)態(tài)誤差、抑制飽和,能夠?qū)崿F(xiàn)過載的穩(wěn)定控制。
【學位單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TJ413.6
【部分圖文】：

（１）阻尼回路的設(shè)計逡逑針對式（３．２．９）的彈體傳遞函數(shù)進行動態(tài)特性分析，分別輸入階躍指令為１、正弦指逡逑令為ｓｉｎ（１．６；ｒ／），通過運行Ｓｉｍｕｌｉｎｋ得到彈體傳遞函數(shù)的階躍響應和正弦響應如圖３．２逡逑和３．３所示逡逑３００邋邐＇邐＇邐１邐＇邐邋２００邋邐！邐■邐１邐．邐逡逑，２００邋（１邐，１００｜１邋Ａ邋Ａ！邋Ａ邋／逡逑Ｉ１００邐邐邐邋ｉ邋°邋／＼／＼／＼／逡逑■邐－邋Ｉ。。昝胃邋ｖ逡逑－２００邋邐＇邐＇邐＇邐＇邐邋－２００邋邐ｊ邐＇邐；邐１邐逡逑０邐１邐２邋Ｔ／ｓ邋３邐４邐５邐０邐１邐２邋Ｔ／ｓ邋３邐４邐５逡逑圖３．２俯仰角速度階躍響應邐圖３．３俯仰角速度正弦響應逡逑由圖３．２可知：系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，俯仰角速度逐漸衰減，但一開始震蕩劇烈，逡逑超調(diào)量比較大，過渡品質(zhì)差，調(diào)節(jié)時間長，總體收斂較慢。此時，可以通過設(shè)計阻尼回逡逑路達到增大阻尼的目的，減小其增益來增加其穩(wěn)定性。利用經(jīng)驗法，設(shè)計阻尼為０．７左逡逑右。阻尼回路設(shè)計如圖４所示：逡逑————逡逑邐邐—＿ｌ逡逑邐ｎｒｙ—逡逑圖３．４阻尼回路逡逑利用根軌跡法選取獨立參數(shù)々，，在阻尼回路中，傳輸函數(shù)就是彈體開環(huán)傳遞函數(shù)。逡逑因此通過Ｍａｔｌａｂ計算獲得根軌跡如圖３．５逡逑３０逡逑

＇１）逡逑圖３．５彈體的根軌跡圖逡逑從圖３．５可以看出，當從根軌跡中選擇阻尼為０．７１２時，參數(shù)的值為０．２６３。下面逡逑驗證：選取增益＆邋＝０．２６３，在引入阻尼回路前后，彈體的頻域特性和時域特性都有所逡逑改善。如圖３．６和１７為彈體的伯德圖和帶有俯仰角速度反饋的伯德圖；圖３．８和圖３．９逡逑為彈體帶有阻尼回路彈體的階躍響應和正弦響應。逡逑Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ邐Ｂｏｄｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑Ｇｍ邋＝邋Ｉｎｆ邋，邋Ｐｍ邋＝邋９９．２邋ｄｅｇ邋（ａｔ邋２１．３邋ｒａｄ／ｓ）邐Ｇｍ邋＝邋Ｉｎｆ，邋Ｐｍ邋＝邋Ｉｎｆ逡逑２０邋￣￣￣￣￣￣－邋０邋邋邋邋邐—邐邐邐邐逡逑ｍ邋１０邋＇邐／＇邐ｍ－１０邋■邐／邐＼逡逑Ｓ邐／邋＼邐Ｂ邐／邐＼逡逑＜ｖ邋０邐0）邐／邐＇逡逑１邐／邋Ｋ邋ｉ－２°－邐／邐＼逡逑＆－，0－邋／邋！邋＼邋§．邋邐一，邋＼逡逑２邐－２０－邋，邋５邋－３0邋＼逡逑邐、逡逑－３０邐＊—一邐■￣￣邐？—■—‘一邐——邐１—…丨…一邐＇—邐」逡逑９０邋￣—邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐邐ｎ邐９０邐１一邋邐＾￣＾＞邋邐邐邐邐＾逡逑僔４５邐１邐ｆ４５＇

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【參考文獻】

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本文編號：2831984