远程制导炮弹弹道优化设计与姿态控制方法研究

论文摘要

本文主要针对某远程制导炮弹的弹道特性和制导炮弹的控制系统进行了研究。文中采用火箭助推+滑翔的复合增程方法来提高炮弹的射程。在确定增程方案的基础上,本文根据低速滚转炮弹的特点,建立了低速滚转炮弹的六自由度弹道模型。针对远程制导炮弹在飞行过程中的特点,将整个弹道分为起飞段、火箭助推段、无控段、滑翔段和增速段,并根据各段特点建立了弹道数学模型。在建立的模型的基础上,深入研究了炮弹的射角、火箭发动机的点火时间、火箭发动机的助推时间、滑翔段的飞行姿态以及末段制导律等对炮弹的射程及性能的影响。在无控段,优化了炮弹的射角和火箭发动机的点火方案;在有控段,根据庞德李亚金的极小值原理,以射程为目标,以攻角为控制函数,以着角和着速为约束函数,对某制导炮弹的方案弹道进行了优化设计。仿真结果表明,炮弹能以较大的着速和着角攻击目标,所设计的弹道方案能够很好地满足战技指标。为了实现所设计的方案弹道,提出了制导控制系统的总体方案,建立了滑翔制导炮弹的控制系统数学模型。在此基础上,针对低速滚转炮弹飞行过程中的特点,采用经典控制理论设计了制导炮弹的自动控制系统,并引入等效舵偏角对气动耦合进行补偿。仿真结果表明,设计的自动控制系统能够使滑翔制导炮弹在飞行过程中具有良好的响应特性,方法简单,易于实现。另外,针对低速转滚炮弹控制系统的非线性特点,本文深入研究了非线性系统滑模控制理论,利用变结构控制的滑动模态对参数摄动及外部扰动具有不变性的特点,并与微分几何理论相结合,来设计非线性系统控制律。这样既提高了系统的鲁棒性,又解决了非线性滑模面不易构造的难题。反馈线性化可以把系统原有模型变换成为一种更易于控制设计的简单的等效模型,因此,在非线性控制系统的设计中,本文借助反馈线性化理论对原系统模型进行了变换。本文将微分几何理论与滑模变结构控制相结合,给出了一种基于反馈线性化的滑模变结构控制器设计方法,证明了所设计控制器的稳定性,并将该方法应用于低速滚转的制导炮弹控制系统设计中,取得了较好的效果。该控制方法将复杂非线性制导炮弹系统的设计转化为若干个单输入单输出子系统的控制,解决了制导炮弹动态特性的强非线性及耦合给控制器设计带来的困难。仿真结果表明,所设计的控制器对系统参数的变化及外界干扰具有完全的鲁棒性,所设计的控制系统具有良好的动态性能,并与经典的PID控制器进行了比较,显示出本文所设计的控制方法的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 制导炮弹发展综述
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 制导炮弹发展趋势
• 1.3 基于非线性控制理论的发展综述
• 1.3.1 非线性滑模变结构控制理论的发展
• 1.3.2 非线性滑模控制理论的应用及其研究方向
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 远程制导炮弹的系统组成与分析
• 2.1 远程制导炮弹的结构和外形
• 2.2 增程制导炮弹概念
• 2.3 制导控制系统基本要求及组成
• 2.4 控制系统分析
• 2.4.1 控制方法
• 2.4.2 控制力产生机理
• 2.5 导引系统分析
• 2.5.1 惯性导航系统
• 2.5.2 卫星导航系统
• 2.6 小结
• 3 建立远程制导炮弹的飞行力学模型
• 3.1 建立外弹道力学模型
• 3.1.1 几种常用坐标系及坐标系之间转换关系
• 3.1.2 外弹道力学模型
• 3.1.3 简化炮弹运动的外弹道模型
• 3.2 导引系统模型
• 3.3 滑翔炮弹控制模型
• 3.4 小结
• 4 远程制导炮弹的弹道优化设计
• 4.1 外弹道特性研究
• 4.1.1 无控段外弹道特性研究
• 4.1.2 有控段外弹道特性研究
• 4.2 序列二次规划法
• k'>4.2.1 如何更新矩阵B^k
• 4.2.2 罚函数和一维搜索
• 4.3 外弹道优化分析与设计
• 4.3.1 外弹道优化分析
• 4.3.2 无控段弹道优化
• 4.3.3 滑翔段最优控制模型
• 4.3.4 滑翔段最优控制算法研究
• 4.4 小结
• 5 制导炮弹自动控制系统设计
• 5.1 扰动运动方程与传递函数
• 5.1.1 扰动运动方程组的建立
• 5.1.2 制导炮弹传递函数
• 5.2 弹体特性分析
• 5.3 自动驾驶仪设计
• 5.3.1 自动驾驶仪结构
• 5.3.2 自动驾驶仪设计
• 5.4 攻角稳定回路PID控制器设计
• 5.4.1 PID控制器结构
• 5.4.2 PID自整定控制方法
• 5.4.3 PID控制理论设计攻角稳定回路
• 5.5 小结
• 6 基于微分几何理论的非线性滑模控制方法研究
• 6.1 相关数学工具
• 6.1.1 Lie导数
• 6.1.2 微分同胚
• 6.1.3 Frobenius定理
• 6.1.4 控制系统相对阶
• 6.2 多输入多输出非线性系统的反馈线性化
• 6.3 变结构控制概念及设计方法
• 6.3.1 变结构控制的相关概念
• 6.3.2 变结构控制系统的设计
• 6.4 基于微分几何理论的变结构控制律设计
• 6.5 线性系统和非线性系统的比较
• 6.6 小结
• 7 非线性滑模控制在远程制导炮弹控制系统中的应用
• 7.1 远程制导炮弹的控制模型转换
• 7.2 远程制导炮弹控制器设计
• 7.3 仿真与分析
• 7.4 带过重补偿的末段制导系统设计
• 7.5 小结
• 8 总结与展望
• 8.1 本文的主要创新点
• 8.2 尚待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录