二維彈道修正彈是常規(guī)制導(dǎo)彈藥中的一種,其能夠在射程和方向上對(duì)飛行彈道進(jìn)行若干次修正,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)較為精確的打擊。彈道修正機(jī)構(gòu)是彈道修正彈上的關(guān)鍵部件,其屬于二維修正彈的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。修正機(jī)構(gòu)性能的好壞決定了彈道修正能力,影響到彈藥的打擊精度。彈道修正方法有兩類:分別為氣動(dòng)力修正和直接力修正,其對(duì)應(yīng)的典型執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別為空氣舵機(jī)和射流元件。對(duì)于尾翼穩(wěn)定的低速旋轉(zhuǎn)彈,舵機(jī)和射流元件均可實(shí)現(xiàn)彈道的二維修正。但是對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈,常規(guī)的舵機(jī)和射流元件由于響應(yīng)速度慢則無法應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈上作為其彈道修正機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈的二維彈道修正,有必要研制一種新型彈道修正機(jī)構(gòu)。本文以原有的130mm制式彈為基礎(chǔ),研制了一種可控滾轉(zhuǎn)的固定舵片式二維彈道修正機(jī)構(gòu)。應(yīng)用此種修正機(jī)構(gòu)后,改進(jìn)的130mm高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈將具備二維彈道修正能力。首先,設(shè)計(jì)了二維彈道修正機(jī)構(gòu)的總體方案。修正機(jī)構(gòu)的內(nèi)部核心是一組以磁場(chǎng)作為能量轉(zhuǎn)換媒介的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件,其由鑲嵌在外殼體內(nèi)部的永磁體和固定在彈體內(nèi)軸上的線圈繞組兩大部分組成。修正機(jī)構(gòu)可工作在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種工作模式下,通過電磁轉(zhuǎn)矩改變外殼體相對(duì)慣性空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。文中定義了修正機(jī)構(gòu)的外部坐標(biāo)系,相繼設(shè)計(jì)了基于脈沖比較的外殼體滾轉(zhuǎn)角直接控制方法和基于轉(zhuǎn)速差異的周期平均控制力生成方法,解決了彈道中后期和初期的控制力空間定向問題。并分析了繞組磁勢(shì)和永磁體磁通密度的產(chǎn)生機(jī)理以及兩組磁場(chǎng)間的相互作用關(guān)系,得到電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法,對(duì)其內(nèi)部磁場(chǎng)以及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算。其次,定義了修正機(jī)構(gòu)的內(nèi)部坐標(biāo)系,根據(jù)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換與耦合原理建立了修正機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。并根據(jù)磁勢(shì)等效原則和坐標(biāo)變換理論,對(duì)修正機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了逐步簡化。在數(shù)學(xué)模型的簡化過程中,得出了修正機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。在穩(wěn)定運(yùn)行基本條件的約束下,為了實(shí)現(xiàn)修正機(jī)構(gòu)內(nèi)部兩組磁場(chǎng)的解耦,文中將空間矢量控制技術(shù)應(yīng)用到了修正機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)策略中,實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)模式下電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。并分析了修正機(jī)構(gòu)的基本動(dòng)態(tài)過程。再次,從修正機(jī)構(gòu)自身控制的靈活性、對(duì)彈體旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響等方面分別對(duì)比了電動(dòng)機(jī)工作模式和發(fā)電機(jī)工作模式的優(yōu)點(diǎn)和局限性,并根據(jù)全彈道過程中彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化情況,提出了對(duì)修正機(jī)構(gòu)的分時(shí)分段控制思想。隨后進(jìn)一步簡化了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)工作模式下的數(shù)學(xué)模型,得到了不同負(fù)載電阻下發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線。并利用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù),分別針對(duì)發(fā)電機(jī)工作模式和電動(dòng)機(jī)工作模式設(shè)計(jì)了自適應(yīng)積分滑�？刂破骱湍：？刂破�,通過數(shù)值仿真,證明了滑模變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)修正機(jī)構(gòu)自身參數(shù)的攝動(dòng)以及外部力矩的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。為了提高修正機(jī)構(gòu)的可靠性,降低修正機(jī)構(gòu)的成本,本文對(duì)修正機(jī)構(gòu)應(yīng)用了無傳感器控制技術(shù)。首先設(shè)計(jì)了常規(guī)滑模觀測(cè)器,通過重構(gòu)繞組電流估計(jì)繞組反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)而獲得外殼體和彈體內(nèi)軸間的相對(duì)電角度。針對(duì)常規(guī)滑模觀測(cè)器因抖振而引起的觀測(cè)角度滯后,精度不高的問題,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了擴(kuò)展滑模觀測(cè)器,通過直接觀測(cè)繞組磁鏈獲取相對(duì)電角度。由于擴(kuò)展滑模觀測(cè)器自身對(duì)抖動(dòng)具有低通濾波特性,因此擴(kuò)展滑模觀測(cè)器不僅保持了較好的魯棒性,還抑制了抖振帶來的不利影響,提高了角位置觀測(cè)精度。最后,針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的二維彈道修正機(jī)構(gòu),搭建了一套仿真測(cè)試系統(tǒng)。一方面模擬了修正機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作環(huán)境;另一方面測(cè)定了修正機(jī)構(gòu)自身的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明:針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈,本文所設(shè)計(jì)的二維彈道修正機(jī)構(gòu)方案得當(dāng),穩(wěn)定可靠,完全可以應(yīng)用于本文背景項(xiàng)目中130mm制式榴彈上以及其他滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)彈藥上。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TJ410
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號(hào)說明
第1章 緒論
    1.1. 課題研究背景和意義
    1.2. 修正機(jī)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r
        1.2.1. 彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類
        1.2.2. 彈道修正方法
        1.2.3. 修正機(jī)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用
        1.2.4. 修正機(jī)構(gòu)的比較
    1.3. 永磁同步電機(jī)與彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)
        1.3.1. 永磁同步電機(jī)的應(yīng)用與特點(diǎn)
        1.3.2. 永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法
        1.3.3. 永磁同步電機(jī)的無傳感器控制
        1.3.4. 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用
    1.4. 本文的研究內(nèi)容與章節(jié)安排
第2章 修正機(jī)構(gòu)方案與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    2.1. 引言
    2.2. 修正機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組成
        2.2.1. 修正機(jī)構(gòu)的修正原理
        2.2.2. 修正機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
        2.2.3. 修正機(jī)構(gòu)的電氣組成
    2.3. 修正機(jī)構(gòu)的控制原理
        2.3.1. 修正機(jī)構(gòu)的外部坐標(biāo)系
        2.3.2. 修正機(jī)構(gòu)的脈沖測(cè)量與控制方法
        2.3.3. 基于轉(zhuǎn)速差異的平均控制力控制方法
    2.4. 修正機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)分析與繞組設(shè)計(jì)
        2.4.1. 修正機(jī)構(gòu)中的磁場(chǎng)與電磁轉(zhuǎn)矩
        2.4.2. 修正機(jī)構(gòu)的繞組設(shè)計(jì)
    2.5. 本章小結(jié)
第3章 修正機(jī)構(gòu)的教學(xué)建模及驅(qū)動(dòng)策略
    3.1. 引言
    3.2. 修正機(jī)構(gòu)的內(nèi)部坐標(biāo)系及數(shù)學(xué)模型
        3.2.1. 修正機(jī)構(gòu)的內(nèi)部坐標(biāo)系
        3.2.2. 修正機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型
        3.2.3. 修正機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件
    3.3. 修正機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)策略
        3.3.1. 修正機(jī)構(gòu)的空間矢量控制
        3.3.2. 修正機(jī)構(gòu)的基本動(dòng)態(tài)過程
    3.4. 本章小結(jié)
第4章 修正機(jī)構(gòu)的控制策略設(shè)計(jì)與分析
    4.1. 引言
    4.2. 修正機(jī)構(gòu)的分時(shí)分段控制方法
    4.3. 滑模變結(jié)構(gòu)控制方法
        4.3.1. 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本思想
        4.3.2. 滑動(dòng)模態(tài)對(duì)擾動(dòng)的不敏感性
        4.3.3. 滑模變結(jié)構(gòu)控制存在的問題
    4.4. 發(fā)電機(jī)模式下的積分滑�？刂�
        4.4.1. 發(fā)電機(jī)模式下的模型簡化
        4.4.2. 基于極點(diǎn)配置的切換函數(shù)確定方法
        4.4.3. 自適應(yīng)積分滑�？刂破髟O(shè)計(jì)
        4.4.4. 數(shù)值仿真分析
    4.5. 電動(dòng)機(jī)模式下的模糊滑�？刂�
        4.5.1. 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)
        4.5.2. 模糊控制器設(shè)計(jì)
        4.5.3. 數(shù)值仿真分析
    4.6. 本章小結(jié)
第5章 修正機(jī)構(gòu)的無線傳感器控制
    5.1. 引言
    5.2. 開環(huán)估計(jì)方法
    5.3. 滑模觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與分析
        5.3.1. 滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測(cè)器中的應(yīng)用
        5.3.2. 常規(guī)滑模觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與分析
        5.3.3. 擴(kuò)展滑模觀測(cè)器的設(shè)計(jì)與分析
        5.3.4. 數(shù)值仿真分析
    5.4. 本章小結(jié)
第6章 修正機(jī)構(gòu)的仿真測(cè)試系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)分析
    6.1. 引言
    6.2. 仿真測(cè)試系統(tǒng)的方案
        6.2.1. 仿真測(cè)試系統(tǒng)的組成
        6.2.2. 工控機(jī)模塊及測(cè)試軟件
        6.2.3. 電動(dòng)機(jī)模塊
        6.2.4. 傳感器模塊
        6.2.5. 測(cè)試臺(tái)架及附屬機(jī)構(gòu)
    6.3. 修正機(jī)構(gòu)的測(cè)試與分析
        6.3.1. 空載摩擦轉(zhuǎn)矩的測(cè)量
        6.3.2. 發(fā)電機(jī)模式下的滿載電磁轉(zhuǎn)矩測(cè)量
        6.3.3. 外殼體滾轉(zhuǎn)角控制實(shí)驗(yàn)
    6.4. 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)與展望
    7.1. 本文研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)
        7.1.1. 本文的研究工作
        7.1.2. 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
    7.2. 對(duì)研究工作的展望和建議
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果
致謝
作者簡介


本文編號(hào)：2881973