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大气层内拦截弹制导控制及一体化研究

作 者: 李运迁
导 师: 齐乃明
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 航空宇航科学与技术
关键词: 制导控制一体化 微分对策 零控脱靶量 对策空间 虚拟力矩 控制分配
分类号: TJ765
类 型: 博士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


在传统的拦截弹制导控制系统设计中,制导环节位于外环,反映了导弹与目标之间的相对运动学关系,变化较慢;控制环节位于内环,反映了导弹自身的动力学特性,变化较快。因此,制导、控制系统设计时,常采用分离理论,即分别独立设计制导律与自动驾驶仪。但是在拦截战术弹道导弹(TBM)时,导弹与目标之间的相对速度很快,尤其是在拦截高机动TBM的末端,相对运动关系变化很快,此时分离理论不再适用。因此为提高制导精度,实现对TBM的有效拦截,需要充分考虑制导与控制之间的耦合关系,进行制导控制一体化(IGC)设计。通过完全引入导弹的动力学环节,IGC设计可以自动补偿制导与控制环节之间的耦合,推迟甚至消除拦截弹制导末端的固有不稳定性,从而提高制导精度。此外,IGC设计还可以充分利用拦截弹的状态信息,并能有效发挥拦截弹的机动能力,避免饱和。因此为实现对TBM的有效拦截,IGC设计得到了广泛的研究。本文以具有气动力/直接力(RCS)复合控制系统的大气层内低层拦截弹为研究对象,以拦截机动TBM为目标,首先进行拦截弹制导、控制系统的分别独立设计,进而进行制导控制一体化设计。具体研究内容及主要成果如下:首先,在线性和非线性条件下,分别建立导弹拦截TBM的运动学和动力学模型,并在此基础上对传统的制导律与自动驾驶仪设计方法进行概括,分析它们各自的特点和联系,为之后的研究奠定基础。然后,采用气动力/RCS复合控制拦截弹的简化方程,建立导弹拦截TBM的对策模型,选择脱靶量最小为性能指标,并通过零控脱靶量(ZEM)的概念将多维的矢量问题转化为标量问题,经推导得出一考虑控制边界的微分对策制导律。该制导律能够充分发挥拦截弹的机动能力,实现制导指令在执行机构之间的最优分配,因此可以显著提高制导精度。此外,大气层内低层拦截弹RCS的燃料是有限的,RCS推力越大,其在导弹机动过载中的贡献就越大,但同时最大工作时间却越短,因此利用对策空间分布研究了RCS推力大小对制导精度的影响,并以此为基础,对RCS的启动时机进行了探讨。其次,控制分配(Control Allocation)法可以将执行机构的选择从控制指令的设计中分离出来。因此,在考虑喷流干扰引起的参数摄动和模型不确定性的条件下,利用最优滑模理论进行虚拟力矩(Virtual Moment)设计,并依靠动态控制分配法实现虚拟力矩在空气舵和RCS之间的配置。虚拟力矩通过动态控制分配器分配到空气舵的指令类似低通滤波器,而RCS的则类似高通滤波器。因此,RCS主要用来提高系统的初始响应,当系统趋于稳定时,其值趋于零;而气动舵则主要用来稳定弹体和输出系统稳定时所需的控制力矩。对于具有开关型推力的RCS,可以通过脉冲调宽调频调制器(PWPF)将连续信号转化为离散的脉冲序列。在以上研究的基础上,开展基于ZEM和虚拟控制的IGC设计。首先,依靠ZEM实现制导与控制环节的统一;然后,选择ZEM作为滑模面,进行滑模控制器设计;最后,通过控制分配器将得到的虚拟力矩分配到实际执行机构。该IGC设计制导导弹的方式为使拦截弹快速趋向于碰撞三角形,并保持在上面。相对于分离设计,它可以实现制导与控制环节的有机结合,导弹机动能力应用更加合理,加速度变化更加平稳,可以明显提高制导精度。但是,它的缺点是难以改善弹体动态特性,因此随后提出了两种改进方法:一种是在滑模面中增加一个基于控制系统考虑的项;另一种是基于内环稳定的IGC设计。其中,后者首先采用线性二次型调节器对导弹的内环动力学进行设计,然后再将其引入IGC设计,这样既可以保证内环的弹体稳定,又可以保证外环的制导性能。此外,根据IGC的设计特点提出了一种新型的控制分配逻辑,它根据ZEM的大小确定RCS的使用情况,因此,RCS主要用于初始阶段使拦截弹快速趋于碰撞三角形,以及末端使拦截弹维持在碰撞三角形上。这样既充分发挥了RCS的作用,又节省了燃料消耗。最后,研究测量信息误差对制导精度的影响。在二阶滑模观测器(SMOD)的基础上进行目标状态估计器设计,为拦截弹制导控制系统提供必要的状态信息。以此为基础进行蒙特卡洛打靶。仿真结果表明,相对传统的分离设计,IGC设计能够显著的提高制导精度,拦截弹单发杀伤概率(SSKP)为95%时的脱靶量小于1m,可以保证对机动TBM的有效拦截。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章 绪论  17-32
  1.1 研究背景、目的和意义  17-18
  1.2 拦截弹制导控制系统研究概述  18-29
    1.2.1 现役的拦截弹  19-23
    1.2.2 制导律研究现状  23-26
    1.2.3 复合控制系统研究现状  26-27
    1.2.4 制导控制一体化研究现状  27-29
  1.3 论文主要研究内容  29-32
第2章 拦截弹制导、控制系统传统设计方法  32-50
  2.1 引言  32
  2.2 导弹运动方程组  32-36
    2.2.1 常用坐标系  32-33
    2.2.2 导弹运动学模型  33-34
    2.2.3 导弹动力学模型  34-36
  2.3 制导律设计  36-42
    2.3.1 比例导引  37-38
    2.3.2 滑模制导律  38-39
    2.3.3 微分对策制导律与最优制导律  39-42
    2.3.4 过载特性  42
  2.4 自动驾驶仪设计  42-49
    2.4.1 古典控制  43-44
    2.4.2 最优控制  44-49
  2.5 本章小结  49-50
第3章 气动力/直接力复合控制拦截弹微分对策制导律设计  50-77
  3.1 引言  50
  3.2 微分对策制导律  50-58
    3.2.1 对策模型  51-53
    3.2.2 线性二次型性能指标  53-56
    3.2.3 最终脱靶量指标  56-58
  3.3 对策空间分布  58-61
    3.3.1 传统的对策空间分布  58-60
    3.3.2 复合控制系统对策空间分布  60-61
  3.4 RCS推力对制导精度的影响  61-66
    3.4.1 RCS推力大小影响  62-65
    3.4.2 RCS启动时机影响  65-66
  3.5 基于逻辑的过载型RCS制导策略  66-70
    3.5.1 基础策略  67-68
    3.5.2 气动过载指令  68-69
    3.5.3 补偿策略  69-70
  3.6 仿真验证  70-76
    3.6.1 力矩型RCS微分对策制导律  71-72
    3.6.2 RCS推力影响  72-73
    3.6.3 过载型RCS制导逻辑  73-76
  3.7 本章小结  76-77
第4章 气动力/直接力复合控制系统设计  77-104
  4.1 引言  77
  4.2 奇异摄动法在复合控制系统设计中的应用  77-84
    4.2.1 奇异摄动法  77-79
    4.2.2 控制器设计  79-82
    4.2.3 仿真研究  82-84
  4.3 最优虚拟控制与分配  84-91
    4.3.1 虚拟控制  84-86
    4.3.2 最优控制器  86-88
    4.3.3 状态限制  88
    4.3.4 仿真研究  88-91
  4.4 虚拟力矩在复合控制系统设计中的应用  91-103
    4.4.1 喷流干扰  91-93
    4.4.2 最优滑模控制  93-96
    4.4.3 动态控制分配  96-97
    4.4.4 脉冲调制  97-98
    4.4.5 仿真研究  98-103
  4.5 本章小结  103-104
第5章 复合控制拦截弹制导控制一体化设计  104-124
  5.1 引言  104
  5.2 IGC模型  104-105
  5.3 基于参考模型的不完全IGC设计  105-107
  5.4 基于ZEM的完全IGC设计  107-111
    5.4.1 IGC设计用ZEM  107-108
    5.4.2 IGC控制器设计  108-110
    5.4.3 新型控制分配逻辑  110-111
  5.5 改进的完全IGC设计  111-114
    5.5.1 基于控制系统的滑动模态  111-113
    5.5.2 基于内环稳定的ZEM  113-114
  5.6 仿真研究  114-123
    5.6.1 IGC设计特点分析  114-116
    5.6.2 IGC设计方法比较  116-118
    5.6.3 基于内环稳定的IGC设计  118-120
    5.6.4 控制分配逻辑  120-122
    5.6.5 参数摄动  122-123
  5.7 本章小结  123-124
第6章 制导信息误差对拦截弹制导精度的影响  124-135
  6.1 引言  124
  6.2 基于SMOD的目标状态估计器  124-127
    6.2.1 基于NDSM的SMOD  124-126
    6.2.2 目标机动状态估计器  126-127
  6.3 蒙特卡洛打靶  127-128
  6.4 仿真结果  128-133
    6.4.1 状态估计器性能  128-129
    6.4.2 制导律比较  129-131
    6.4.3 控制系统比较  131-132
    6.4.4 IGC设计比较  132-133
  6.5 本章小结  133-135
结论  135-137
参考文献  137-150
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  150-153
致谢  153-154
个人简历  154

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中图分类: > 工业技术 > 武器工业 > 火箭、导弹 > 导弹 > 制导与控制
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