基于Modelica的弹道导弹控制系统建模与仿真应用研究

论文摘要

为了满足弹道导弹武器装备发展需要,对导弹系统开展高层次、系统性、综合性的研究,需要研制弹道导弹总体论证与评估软件系统。为了实现软件系统提出的科学性、准确性和高效性的目标,需要找到一种方便、快捷、准确的导弹仿真系统构建方法。本文对先进的系统建模与仿真技术进行研究,基于Modelica和Dymola建立弹道导弹仿真模型库和控制系统模型库,利用模型库可以实现导弹系统的图形化建模与仿真。本文的主要工作如下:1.通过分析弹道导弹控制系统的功能和结构组成、信号流向等,依据模块化建模准则将控制系统划分为一系列层次和模块。推导通用的弹道导弹弹体动力学模型,从模块重用性的角度建立控制系统各组成模块的数学模型。2.利用Modelica语言的非因果和面向对象特性,在Dymola仿真平台上建立弹道导弹仿真模型库和控制系统模型库。控制系统模型库分为测量器件库、导航算法库、制导算法库和姿控器件库四个子库,模型库中的模块具有一般意义,选择其中的模块便可搭建所需控制系统仿真模型。3.以某型号弹道导弹设计方案为例,基于弹道导弹仿真模型库搭建了导弹主动段六自由度飞行仿真模型。仿真结果表明制导方案满足导弹的精度要求,设计方案合理。同时也验证了模型库的实用性和模块的准确性。4.基于弹道导弹控制系统模型库对迭代制导方法进行了研究和改进。在传统迭代制导方法的基础上,将俯仰角控制过程分为两段,分别对两个位置分量进行修正,实现对导弹六个状态分量的控制。算例结果表明,改进方法进一步提高了制导精度。同时再次验证基于模型库建模与分析的高效性。本文基于Modelica建模语言和dymola仿真平台实现了控制系统的模型库构建和仿真应用,从建模机理和实现机制上保证并实现了模型库的重用性、扩展性和层次化管理,模块力求达到通用化设计要求,能够直接运用于其它型号的数学仿真。本文工作对于导弹系统的通用化建模具有重要的实际意义和广泛的应用前景,也为Modelica语言应用于导弹系统的建模与仿真做出了有益的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 各种建模仿真工具的特点
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 导弹控制系统组成及其数学模型
• 2.1 导弹控制系统组成
• 2.1.1 模块化建模方法简介
• 2.1.2 控制系统功能与模块划分
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 动力学模型
• 2.2.3 控制系统模型
• 2.3 小结
• 第三章 弹道导弹模型库的构建
• 3.1 Modelica 语言
• 3.1.1 Modelica 语言特点
• 3.1.2 Modelica 语言建模
• 3.2 Dymola 仿真平台
• 3.2.1 Dymola 的工作界面
• 3.2.2 Dymola 的体系结构
• 3.2.3 Dymola 的仿真流程
• 3.3 弹道导弹控制系统模型库的构建
• 3.3.1 弹道导弹模型库设计
• 3.3.2 弹道导弹模型库的组成
• 3.3.3 弹道导弹模型库模块构建
• 3.3.4 控制系统模型库使用步骤
• 3.4 小结
• 第四章 弹道导弹控制系统模型库的仿真应用
• 4.1 任务分析
• 4.2 控制系统仿真模型构建
• 4.2.1 导航子系统
• 4.2.2 制导子系统
• 4.2.3 姿态控制子系统
• 4.2.4 控制系统模型的组建
• 4.3 仿真与结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 基于模型库的迭代制导方法研究
• 5.1 迭代制导问题描述
• 5.1.1 弹道导弹制导系统发展历史
• 5.1.2 最优控制问题的描述与求解
• 5.2 迭代制导方法的工程计算模型
• 5.3 迭代制导方法的改进
• 5.3.1 改进策略
• 5.3.2 迭代制导传统和改进方法的仿真实现
• 5.4 算例
• 5.5 小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文工作
• 6.2 下一步工作计划
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果