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弹道导弹滚动飞行动力学与控制研究

作　者: 袁天保
导　师: 秦子增
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 激光杀伤自旋弹道导弹姿态控制解耦控制预测控制内模控制飞行仿真
分类号: TJ761
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 8次
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内容摘要

随着导弹防御系统的发展与部署,导弹突防问题日益重要。弹道导弹主动段自旋飞行是一种新的构想,旨在对抗激光武器拦截,实现主动段突防。导弹自旋飞行引起的运动耦合、控制耦合及其它效应容易导致弹体失稳,实现较强耦合作用下弹道导弹自旋飞行姿态稳定控制是亟待解决的问题。目前国外只进行过少量的初步研究,国内尚未见公开论文及资料。本文围绕弹道导弹自旋飞行的几个动力学与控制问题,进行了比较系统深入的研究,获得了若干有意义的结论。详尽总结了自旋导弹自由运动特性。讨论了自旋导弹攻角运动模型及运动特性分析方法,阐述了自旋导弹自由飞行攻角二圆运动规律,分析了自旋导弹开环运动稳定性以及各种作用对运动稳定性的影响;在此基础上,推导了自旋导弹闭环稳定判据,分析了自旋导弹姿态角及角速度反馈控制稳定性,为自旋弹道导弹姿态稳定系统设计提供了依据;提出了自旋弹道导弹姿态稳定系统的设计方法。推导建立了自旋弹道导弹的动力学和控制频域模型,采用古典和现代频域方法对自旋飞行时的姿态控制系统设计进行了研究,有效结合单通道PID控制器、动态预补偿网络、自适应参数调度方法和分段控制策略,解决了较强耦合作用下自旋弹道导弹姿态稳定问题;对所设计的系统进行了三轴姿态跟踪仿真、六自由度仿真和干扰运动仿真,获得了满意的精度和较好的抗干扰能力;系统结构简单,具有较高的可行性;提出利用伺服系统设计技术改善自旋弹道导弹姿态稳定性能的思想。为弥补传统校正方法的不足,将连续预测控制应用到伺服系统设计中,有效减弱伺服系统惯性作用引起的控制交连,研究了约束连续预测控制算法,提出混合加权连续预测控制,算法简单、实用;利用近似的解析算法处理弹道导弹伺服系统约束问题,减小约束作用对系统性能的影响,并且满足系统快速性要求,仿真表明该算法简单有效;研究了侧向作用力对自旋导弹稳定性的影响。针对线性角运动模型,直接采用劳斯方法,与前人工作相比具有更好的通用性和精确性;借此方法近似分析了侧向力对自旋弹道导弹稳定性的影响;研究了内模控制在弹道导弹姿态稳定系统中的应用。解决了几个关键问题,设计了IMC-PID控制网络,对提高传统PID控制精度具有明显效果;本文主要创新性在于在国内首次系统研究了弹道导弹的自旋稳定飞行理论,有效解决了自旋弹道导弹的姿态稳定解耦设计方法问题,另外将预测控制应用到伺服系统设计中,减弱伺服惯性引起的控制交连,并且对侧向力不稳定作用分析以及弹道导弹姿态稳定控制提出新

全文目录

图目录  7-9
表目录  9-10
摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
第一章绪论  14-32
  1.1 工程背景、意义及本文研究目的  14-21
    1.1.1 工程背景、意义  14-19
    1.1.2 本文研究目的  19-21
  1.2 相关领域的研究状况  21-29
    1.2.1 小型自旋导弹动力学和控制研究状况  21-26
    1.2.2 自旋弹道导弹研究状况  26-27
    1.2.3 多变量频域解耦研究状况  27
    1.2.4 连续预测控制研究状况  27-28
    1.2.5 内模控制研究状况  28-29
  1.3 本文的研究内容  29-30
  1.4 本文的研究成果和创新  30-32
第二章自旋弹体运动特性分析  32-51
  2.1 自旋导弹自由运动特性分析  32-46
    2.1.1 自旋导弹运动耦合特性  32-34
    2.1.2 自旋导弹自由飞行角运动模型  34-40
    2.1.3 自旋导弹自由运动稳定性分析  40-46
  2.2 自旋导弹闭环稳定性分析  46-49
    2.2.1 有控自旋导弹模型简化  46-47
    2.2.2 无自旋导弹姿态反馈控制稳定性分析  47-48
    2.2.3 自旋运动对控制系统反馈放大系数设计的影响  48-49
  2.3 本章小结  49-51
第三章自旋弹道导弹姿态稳定控制研究  51-90
  3.1 自旋弹道导弹扰动运动模型  52-60
    3.1.1 自旋弹道导弹六自由度运动模型  52-54
    3.1.2 侧向扰动运动模型  54-55
    3.1.3 弹体传递函数  55-57
    3.1.4 自旋弹道导弹控制耦合频域模型  57-59
    3.1.5 自旋弹道导弹开环传递函数模型  59-60
  3.2 控制耦合的动态预补偿对角优势化近似解耦分析  60-70
    3.2.1 多变量系统的对角占优理论  61
    3.2.2 动态补偿对角优势的实现  61-64
    3.2.3 耦合伺服系统对角优势化  64-67
    3.2.4 构造预补偿器参数调度表  67-70
  3.3 弹道导弹姿态稳定系统设计  70-76
    3.3.1 理想控制律设计  70-72
    3.3.2 动力学耦合的根轨迹分析  72-75
    3.3.3 控制元件动力学补偿  75-76
  3.4 自旋弹道导弹姿态稳定系统仿真  76-80
    3.4.1 自旋弹道导弹姿态稳定回路  78
    3.4.2 自旋弹道导弹姿态稳定仿真  78-80
  3.5 自旋弹道导弹六自由度非线性仿真  80-87
    3.5.1 标准弹道六自由度仿真  81-83
    3.5.2 干扰运动特性仿真  83-87
  3.6 本章小结  87-90
第四章自旋弹道导弹连续预测控制研究  90-115
  4.1 自旋弹道导弹伺服系统连续预测控制  91-101
    4.1.1 导弹电液伺服系统  91-93
    4.1.2 伺服系统连续预测控制  93-101
  4.2 约束连续预测控制迭代算法  101-108
    4.2.1 约束CGPC 的二次规划标准型  102-104
    4.2.2 约束预测控制的MW－CGPC 算法  104-106
    4.2.3 MW－CGPC 算法验证  106-108
  4.3 自旋弹道导弹伺服系统的连续预测控制  108-113
    4.3.1 输出约束的拉格朗日乘子算法  108-109
    4.3.2 有约束情况下伺服系统的连续预测控制  109-113
  4.4 本章小结  113-115
第五章侧向力对自旋导弹稳定性的影响  115-125
  5.1 自旋导弹稳定性的劳斯分析方法  115-117
    5.1.1 水平侧向作用力  115-116
    5.1.2 考虑水平侧向力作用的横侧向非线性运动方程  116
    5.1.3 动稳定性的劳斯分析方法  116-117
  5.2 水平侧向力对自旋导弹姿态稳定影响  117-122
    5.2.1 稳定判据对比  117-119
    5.2.2 攻角运动规律仿真对比  119-122
  5.3 水平侧向力对自旋弹道导弹稳定特性影响仿真  122-123
    5.3.1 关于水平侧向作用力的讨论  122
    5.3.2 水平侧向作用力对自旋弹道导弹稳定性的影响  122-123
  5.4 本章小结  123-125
第六章自旋弹道导弹弹性运动特性研究  125-143
  6.1 弹性自旋弹道导弹模型  125-134
    6.1.1 自旋导弹弹性变形方程  125-129
    6.1.2 广义作用力  129-131
    6.1.3 弹性模型简化分析  131-134
  6.2 弹性自旋弹道导弹稳定性分析  134-141
    6.2.1 弹性振动开环稳定性分析  134-135
    6.2.2 弹性振动闭环稳定性分析  135-137
    6.2.3 自旋弹道导弹弹性闭环稳定性分析实例  137-141
  6.3 本章小结  141-143
第七章自旋弹道导弹内模控制研究  143-152
  7.1 内模控制系统  143-145
  7.2 自旋弹道导弹的内模控制方法  145-151
    7.2.1 自旋弹道导弹基于标准弹道模型的IMC-PID 控制器设计  145-147
    7.2.2 自旋弹道导弹IMC-PID 控制仿真  147-151
  7.3 本章小结  151-152
第八章总结  152-156
攻读博士期间的主要工作  156-157
致谢  157-158
参考文献  158-167

弹道导弹滚动飞行动力学与控制研究

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