二維彈道修正彈是常規(guī)制導彈藥中的一種,其能夠在射程和方向上對飛行彈道進行若干次修正,實現對目標較為精確的打擊。彈道修正機構是彈道修正彈上的關鍵部件,其屬于二維修正彈的執(zhí)行機構。修正機構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:分別為氣動力修正和直接力修正,其對應的典型執(zhí)行機構分別為空氣舵機和射流元件。對于尾翼穩(wěn)定的低速旋轉彈,舵機和射流元件均可實現彈道的二維修正。但是對于高速旋轉穩(wěn)定彈,常規(guī)的舵機和射流元件由于響應速度慢則無法應用在旋轉穩(wěn)定彈上作為其彈道修正機構。為了實現高速旋轉穩(wěn)定彈的二維彈道修正,有必要研制一種新型彈道修正機構。本文以原有的130mm制式彈為基礎,研制了一種可控滾轉的固定舵片式二維彈道修正機構。應用此種修正機構后,改進的130mm高速旋轉穩(wěn)定彈將具備二維彈道修正能力。首先,設計了二維彈道修正機構的總體方案。修正機構的內部核心是一組以磁場作為能量轉換媒介的機電能量轉換元件,其由鑲嵌在外殼體內部的永磁體和固定在彈體內軸上的線圈繞組兩大部分組成。修正機構可工作在發(fā)電機和電動機兩種工作模式下,通過電磁轉矩改變外殼體相對慣性空間的運動狀態(tài)。文中定義了修正機構的外部坐標系,相繼設計了基于脈沖比較的外殼體滾轉角直接控制方法和基于轉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。并分析了繞組磁勢和永磁體磁通密度的產生機理以及兩組磁場間的相互作用關系,得到電磁轉矩的計算方法,對其內部磁場以及外部結構進行了仿真計算。其次,定義了修正機構的內部坐標系,根據機電能量的轉換與耦合原理建立了修正機構的數學模型。并根據磁勢等效原則和坐標變換理論,對修正機構的數學模型進行了逐步簡化。在數學模型的簡化過程中,得出了修正機構穩(wěn)定運行的基本條件。在穩(wěn)定運行基本條件的約束下,為了實現修正機構內部兩組磁場的解耦,文中將空間矢量控制技術應用到了修正機構的驅動策略中,實現了電動機模式下電磁轉矩的解耦控制。并分析了修正機構的基本動態(tài)過程。再次,從修正機構自身控制的靈活性、對彈體旋轉穩(wěn)定性的影響等方面分別對比了電動機工作模式和發(fā)電機工作模式的優(yōu)點和局限性,并根據全彈道過程中彈丸運動參數的變化情況,提出了對修正機構的分時分段控制思想。隨后進一步簡化了發(fā)電機和電動機工作模式下的數學模型,得到了不同負載電阻下發(fā)電機的機械特性曲線。并利用滑模變結構控制技術,分別針對發(fā)電機工作模式和電動機工作模式設計了自適應積分滑模控制器和模糊滑�？刂破�,通過數值仿真,證明了滑模變結構控制器對修正機構自身參數的攝動以及外部力矩的擾動具有很強的魯棒性。為了提高修正機構的可靠性,降低修正機構的成本,本文對修正機構應用了無傳感器控制技術。首先設計了常規(guī)滑模觀測器,通過重構繞組電流估計繞組反電動勢進而獲得外殼體和彈體內軸間的相對電角度。針對常規(guī)滑模觀測器因抖振而引起的觀測角度滯后,精度不高的問題,本文進一步設計了擴展滑模觀測器,通過直接觀測繞組磁鏈獲取相對電角度。由于擴展滑模觀測器自身對抖動具有低通濾波特性,因此擴展滑模觀測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,提高了角位置觀測精度。最后,針對本文所設計的二維彈道修正機構,搭建了一套仿真測試系統(tǒng)。一方面模擬了修正機構的實際工作環(huán)境;另一方面測定了修正機構自身的參數。實驗證明:針對高速旋轉穩(wěn)定彈,本文所設計的二維彈道修正機構方案得當,穩(wěn)定可靠,完全可以應用于本文背景項目中130mm制式榴彈上以及其他滾轉制導彈藥上。
【學位單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TJ410
【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號說明
第1章 緒論
    1.1. 課題研究背景和意義
    1.2. 修正機構的發(fā)展狀況
        1.2.1. 彈上執(zhí)行機構的分類
        1.2.2. 彈道修正方法
        1.2.3. 修正機構的研發(fā)與應用
        1.2.4. 修正機構的比較
    1.3. 永磁同步電機與彈上執(zhí)行機構
        1.3.1. 永磁同步電機的應用與特點
        1.3.2. 永磁同步電機的驅動控制方法
        1.3.3. 永磁同步電機的無傳感器控制
        1.3.4. 現代控制理論的應用
    1.4. 本文的研究內容與章節(jié)安排
第2章 修正機構方案與系統(tǒng)設計
    2.1. 引言
    2.2. 修正機構的系統(tǒng)組成
        2.2.1. 修正機構的修正原理
        2.2.2. 修正機構的機械結構
        2.2.3. 修正機構的電氣組成
    2.3. 修正機構的控制原理
        2.3.1. 修正機構的外部坐標系
        2.3.2. 修正機構的脈沖測量與控制方法
        2.3.3. 基于轉速差異的平均控制力控制方法
    2.4. 修正機構中的磁場分析與繞組設計
        2.4.1. 修正機構中的磁場與電磁轉矩
        2.4.2. 修正機構的繞組設計
    2.5. 本章小結
第3章 修正機構的教學建模及驅動策略
    3.1. 引言
    3.2. 修正機構的內部坐標系及數學模型
        3.2.1. 修正機構的內部坐標系
        3.2.2. 修正機構的數學模型
        3.2.3. 修正機構穩(wěn)定運行的基本條件
    3.3. 修正機構的驅動策略
        3.3.1. 修正機構的空間矢量控制
        3.3.2. 修正機構的基本動態(tài)過程
    3.4. 本章小結
第4章 修正機構的控制策略設計與分析
    4.1. 引言
    4.2. 修正機構的分時分段控制方法
    4.3. 滑模變結構控制方法
        4.3.1. 滑模變結構控制的基本思想
        4.3.2. 滑動模態(tài)對擾動的不敏感性
        4.3.3. 滑模變結構控制存在的問題
    4.4. 發(fā)電機模式下的積分滑�？刂�
        4.4.1. 發(fā)電機模式下的模型簡化
        4.4.2. 基于極點配置的切換函數確定方法
        4.4.3. 自適應積分滑�？刂破髟O計
        4.4.4. 數值仿真分析
    4.5. 電動機模式下的模糊滑模控制
        4.5.1. 滑模變結構控制器設計
        4.5.2. 模糊控制器設計
        4.5.3. 數值仿真分析
    4.6. 本章小結
第5章 修正機構的無線傳感器控制
    5.1. 引言
    5.2. 開環(huán)估計方法
    5.3. 滑模觀測器的設計與分析
        5.3.1. 滑模變結構控制在觀測器中的應用
        5.3.2. 常規(guī)滑模觀測器的設計與分析
        5.3.3. 擴展滑模觀測器的設計與分析
        5.3.4. 數值仿真分析
    5.4. 本章小結
第6章 修正機構的仿真測試系統(tǒng)級實驗分析
    6.1. 引言
    6.2. 仿真測試系統(tǒng)的方案
        6.2.1. 仿真測試系統(tǒng)的組成
        6.2.2. 工控機模塊及測試軟件
        6.2.3. 電動機模塊
        6.2.4. 傳感器模塊
        6.2.5. 測試臺架及附屬機構
    6.3. 修正機構的測試與分析
        6.3.1. 空載摩擦轉矩的測量
        6.3.2. 發(fā)電機模式下的滿載電磁轉矩測量
        6.3.3. 外殼體滾轉角控制實驗
    6.4. 本章小結
第7章 總結與展望
    7.1. 本文研究工作及創(chuàng)新點
        7.1.1. 本文的研究工作
        7.1.2. 本文的主要創(chuàng)新點
    7.2. 對研究工作的展望和建議
參考文獻
攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果
致謝
作者簡介


本文編號：2881973