制導(dǎo)炮彈兼有戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和普通炮彈的優(yōu)點(diǎn),不但單發(fā)成本低、反應(yīng)迅速,而且具有較高的打擊精度,是炮彈技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展方向之一。本文以某鴨式布局低旋制導(dǎo)炮彈為研究對象,圍繞該類制導(dǎo)炮彈研制過程中遇到的理論和技術(shù)問題,對其方案彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)與制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。根據(jù)低速滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)炮彈的氣動特性和運(yùn)動特點(diǎn),建立了其空間運(yùn)動六自由度飛行動力學(xué)模型,并針對不同的應(yīng)用場合需求,推導(dǎo)了用于研究方案彈道的簡化制導(dǎo)炮彈運(yùn)動模型、計(jì)及通道間耦合效應(yīng)的姿態(tài)控制模型以及導(dǎo)引數(shù)學(xué)模型。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)直接配點(diǎn)法對彈道優(yōu)化問題離散精度有限的不足,構(gòu)造了一種自適應(yīng)網(wǎng)格更新策略,使節(jié)點(diǎn)能夠依據(jù)離散誤差的大小自動調(diào)整,在保證計(jì)算效率的基礎(chǔ)上,提高了直接配點(diǎn)法的離散精度。綜合考慮實(shí)際飛行環(huán)境中的模型誤差、啟控點(diǎn)參數(shù)偏差、氣動力偏差以及氣象偏差等不確定因素,引入線性協(xié)方差分析法評估方案彈道對各種不確定因素的敏感度,提出了一種不確定飛行環(huán)境下的彈道優(yōu)化方法,從而為滑翔制導(dǎo)炮彈方案彈道的合理設(shè)計(jì)提供參考。針對滑翔制導(dǎo)炮彈在飛行過程中的特點(diǎn),將全彈道劃分為起飛段、助推段、爬升段以及滑翔段,建立了多階段彈道優(yōu)化模型,研究了全彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,為最優(yōu)射角、助推火箭點(diǎn)火時(shí)間、滑翔啟控點(diǎn)以及滑翔段飛行姿態(tài)提供了設(shè)計(jì)參考。研究了滑翔制導(dǎo)炮彈的方案彈道跟蹤問題。在最優(yōu)控制理論的框架下,結(jié)合Gauss偽譜法,提出了一種具有解析解的間接Gauss偽譜彈道跟蹤制導(dǎo)律。該算法不需要任何的積分或優(yōu)化迭代過程,避免了求解黎卡提微分方程,在很大程度上提高了計(jì)算效率,并且隨著求解問題規(guī)模的增大,這種優(yōu)勢更為明顯。通過和GPOPS軟件進(jìn)行對比,驗(yàn)證了間接Gauss偽譜法具有很高的計(jì)算精度。此外,該算法還可以非常容易地處理復(fù)雜形式的加權(quán)矩陣,使得性能指標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)更為靈活。為了降低間接Gauss偽譜彈道跟蹤制導(dǎo)律對制導(dǎo)炮彈運(yùn)動模型的依賴,基于虛擬點(diǎn)追蹤的思想,提出了另外一種非線性彈道跟蹤制導(dǎo)律。通過引入虛擬目標(biāo)點(diǎn),建立了彈道跟蹤數(shù)學(xué)模型,并給出了一種適配于彈道跟蹤問題的期望視線角,采用快速非奇異終端滑模和動態(tài)面控制方法進(jìn)行了制導(dǎo)律設(shè)計(jì),利用Lyapunov穩(wěn)定性準(zhǔn)則證明了所提的非線性彈道跟蹤制導(dǎo)律的收斂性。仿真分析并對比了以上兩種算法的彈道跟蹤效果,同時(shí)也總結(jié)了二者各自的適用特點(diǎn),為實(shí)際使用提供一定的指導(dǎo)。結(jié)合低速滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)炮彈俯仰和偏航通道耦合嚴(yán)重的特點(diǎn),提出了一種基于軌跡線性化(TLC)的姿態(tài)控制方法。利用時(shí)標(biāo)分離的原則,將姿態(tài)角回路和角速度回路分開進(jìn)行研究,利用TLC前饋加反饋的控制框架,使各回路的誤差動態(tài)特性沿標(biāo)稱軌跡指數(shù)穩(wěn)定,保證了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)能夠保持較好的控制性能。為了進(jìn)一步提高姿態(tài)控制器在受擾情況下的控制品質(zhì),提出了一種最大程度保留TLC優(yōu)良特性,同時(shí)增強(qiáng)其在擾動作用下的魯棒性的改進(jìn)方案。采用韓式跟蹤微分器計(jì)算指令信號的微分值,有效抑制了峰值現(xiàn)象,考慮由系統(tǒng)建模誤差、氣動參數(shù)攝動以及外部擾動組成的不確定性,設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)不確定性進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償,同時(shí)采用新型的積分滑模面進(jìn)行各回路的反饋控制律設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)后的控制器在干擾的影響下仍能夠保持良好的控制性能,可以滿足滑翔制導(dǎo)炮彈高精度及強(qiáng)魯棒性的控制要求。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TJ413.6
【部分圖文】：

１緒論博士學(xué)位論文??１．２制導(dǎo)炮彈研宄概況??美國率先于２０世紀(jì)７０年代末期成功研制了“銅斑蛇”?１５５ｍｍ激光半主動末制導(dǎo)??炮彈，最大射程１６ｋｍ，并于１９８２年開始裝備部隊(duì)［４］。前蘇聯(lián)于２０世紀(jì)８０年代初期成??功研制了“紅土地”?１５２ｍｍ激光半主動末制導(dǎo)炮彈，并將其投入到當(dāng)時(shí)的阿富汗戰(zhàn)爭。??和“銅斑蛇”相比，“紅土地”采用了單通道控制，簡化了彈上控制設(shè)備，因而大大降??低了成本，此外，“紅土地”使用了三位式氣動鴨舵，機(jī)動性和毀傷精度要優(yōu)于“銅斑??蛇”。這也使得“紅土地”在國際軍火市場上比“銅斑蛇”更受青睞［４＿５］。以上兩種制導(dǎo)??炮彈均采用了激光半主動末制導(dǎo)方式對目標(biāo)實(shí)施精確打擊，這種方式的命中精度較高，??但需要用到外部激光器輔助導(dǎo)引，實(shí)際作戰(zhàn)中有所不便，同時(shí)也會增加激光器觀察員被??攻擊的危險(xiǎn)［６１。從而在８０年代后期，以美國為代表的各軍事大國開始研制新一代制導(dǎo)炮??彈，又稱“發(fā)射Ａ７小竹”彈藥。?＾??

博士學(xué)位論文?滑翔增程制導(dǎo)炮彈彈道優(yōu)化及制導(dǎo)控制方法研宂??現(xiàn)了該增程制導(dǎo)彈藥的單價(jià)為５萬美元的預(yù)定目標(biāo)。為了進(jìn)一步降低成本，美國海軍于??２００３年１０月發(fā)布了對低成本制導(dǎo)炮彈的開發(fā)需求，要求單發(fā)成本不高于３５０００美元。??遠(yuǎn)程對地攻擊制導(dǎo)炮彈（ＬＲＬＡＰ）是美國國防工業(yè)公司（ＵＤＩ）針對這一低成本項(xiàng)目提??出的一種解決方案，ＬＲＬＡＰ彈長２ｍ，重量為１１３ｋｇ，采用火箭助推，預(yù)計(jì)最大射程可??達(dá)到１５４ｋｍ［５］。在２００５年７月２８日的一次發(fā)射試驗(yàn)中，一枚遠(yuǎn)程對地攻擊彈成功地達(dá)??到了制導(dǎo)炮彈有史以來的最遠(yuǎn)射程一?１１６．７ｋｍ。２００５年底，遠(yuǎn)程對地攻擊彈項(xiàng)目結(jié)束了??工程研制階段的工作，進(jìn)入了為期３年的系統(tǒng)開發(fā)階段。彈道增程制導(dǎo)炮彈（ＢＴＥＲＭ）??是美國ＡＴＫ公司針對海軍低成本制導(dǎo)炮彈項(xiàng)目提出了另外一種方案。ＢＴＥＲＭ和ＥＸ－１７１??有諸多相似之處，如同為１２７ｍｍ?口徑和１．５５ｍ長度，均采用火箭助推，最大射程預(yù)計(jì)??為１１１ｋｍ。不同的是，ＢＴＥＲＭ的重量稍輕（４６．５ｋｇ），結(jié)構(gòu)相對簡單，價(jià)格更為低廉，??

博士學(xué)位論文?滑翔增程制導(dǎo)炮彈彈道優(yōu)化及制導(dǎo)控制方法研宂??現(xiàn)了該增程制導(dǎo)彈藥的單價(jià)為５萬美元的預(yù)定目標(biāo)。為了進(jìn)一步降低成本，美國海軍于??２００３年１０月發(fā)布了對低成本制導(dǎo)炮彈的開發(fā)需求，要求單發(fā)成本不高于３５０００美元。??遠(yuǎn)程對地攻擊制導(dǎo)炮彈（ＬＲＬＡＰ）是美國國防工業(yè)公司（ＵＤＩ）針對這一低成本項(xiàng)目提??出的一種解決方案，ＬＲＬＡＰ彈長２ｍ，重量為１１３ｋｇ，采用火箭助推，預(yù)計(jì)最大射程可??達(dá)到１５４ｋｍ［５］。在２００５年７月２８日的一次發(fā)射試驗(yàn)中，一枚遠(yuǎn)程對地攻擊彈成功地達(dá)??到了制導(dǎo)炮彈有史以來的最遠(yuǎn)射程一?１１６．７ｋｍ。２００５年底，遠(yuǎn)程對地攻擊彈項(xiàng)目結(jié)束了??工程研制階段的工作，進(jìn)入了為期３年的系統(tǒng)開發(fā)階段。彈道增程制導(dǎo)炮彈（ＢＴＥＲＭ）??是美國ＡＴＫ公司針對海軍低成本制導(dǎo)炮彈項(xiàng)目提出了另外一種方案。ＢＴＥＲＭ和ＥＸ－１７１??有諸多相似之處，如同為１２７ｍｍ?口徑和１．５５ｍ長度，均采用火箭助推，最大射程預(yù)計(jì)??為１１１ｋｍ。不同的是，ＢＴＥＲＭ的重量稍輕（４６．５ｋｇ），結(jié)構(gòu)相對簡單，價(jià)格更為低廉，??
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本文編號：2854067