靶弹飞行器纵向通道控制器设计研究

论文摘要

靶弹是一种用来模拟武器系统所要攻击目标的动态实物,它是武器系统研制、定型、批检、试验中用来检验被试品性能、技术指标的一种重要装备。靶弹作为模拟导弹的飞行器,其设计方法与导弹控制系统设计是一致的。靶弹复杂的运动模型及大量的不确定因素的存在,是控制器设计的主要难点。本文以某型亚音速巡航靶弹控制系统设计为研究背景,重点对其纵向通道控制器设计进行研究。首先利用MATLAB建立了系统模型,对其控制要求及其工程实现方法进行分析,在传统PID设计的基础上,考虑到系统特点,设计了模糊PID控制器,以适应系统参数变化。由于飞行器在噪声、负载扰动等因素的影响下,过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。这就要求在PID控制中,不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型,并且PID参数能够在线调整,以满足实时控制的要求。因此,在经典PID控制器基础上,设计了一模糊控制器,对PID参数进行在线调整,仿真结果表明,模糊控制器能够很好的实现参数的优化,使得增加参数调整后的PID控制器具有更好的适应性。由于靶弹在飞行过程中,飞行高度、速度和飞行环境等是时变的,使得靶弹动态特性也随之变化,因此,弹体的参数是时变的,普通的线性控制器难以满足系统要求。本文以攻角为状态变量,对靶弹纵向通道模型进行简化,得到线性化后的小扰动短周期导弹运动模型。针对传统控制方法的不足,应用H∞鲁棒控制理论,选择了适当的灵敏度函数,设计了靶弹纵向通道H∞控制器。仿真结果表明,所设计的H∞控制器对系统参数摄动具有较强的鲁棒性,动态性能良好,且无明显的抖动现象。本文的设计内容在某项目中通过飞行试验考核,验证了在无高度传感器的情况下,通过跟踪程序俯仰角实现飞行器的高度控制并达到了一定的精度。本文提出的方法对类似飞行器设计具有参考意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 控制器设计方法概述
• 1.2.1 变结构控制
• 1.2.2 智能控制
• 1.2.3 自适应控制
• 1.2.4 H∞控制
• 1.2.5 综合控制方法
• 1.2.6 其它方法
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 靶弹飞行器数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 常用坐标系的定义
• 2.3 参考坐标系间转换
• 2.4 作用在靶弹上的力和力矩
• 2.4.1 作用在靶弹上的力
• 2.4.2 作用在靶弹上的力矩
• 2.5 动力学和运动学方程
• 2.5.1 动力学方程
• 2.5.2 运动学方程
• 2.6 几何关系方程
• 2.7 靶弹动力学、运动学仿真建模
• 2.8 舵系统模型
• 2.9 仿真结果及分析
• 2.10 本章小结
• 第三章 纵向弹道控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 理论弹道及指标分析
• 3.3 弹道指令角设计
• 3.4 纵向通道控制器设计
• 3.4.1 纵向通道控制方案
• 3.4.2 PID 控制原理
• 3.4.3 纵向通道控制器设计
• 3.4.4 靶弹纵向控制器建模
• 3.5 纵向弹道仿真及结果分析
• 3.5.1 姿态角控制仿真结果
• 3.5.2 高度信息参与控制时的仿真结果
• 3.5.3 高度信息品质对弹道飞行的影响
• 3.6 纵向通道稳定性分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于模糊推理的PID 控制参数设计
• 4.1 引言
• 4.2 模糊控制器原理
• 4.2.1 模糊化
• 4.2.2 模糊规则库
• 4.2.3 模糊推理
• 4.2.4 清晰化
• 4.3 基于模糊推理的PID 参数优化
• 4.3.1 模糊PID 自整定控制系统结构
• 4.3.2 PID 参数模糊自整定原则
• 4.3.3 模糊PID 参数调节器设计
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.4.1 无干扰仿真结果及分析
• 4.4.2 有干扰仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于H∞理论的控制器参数设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统的鲁棒稳定性与鲁棒性能
• 5.3 标准H∞控制问题
• 5.4 靶弹短周期小扰动纵向通道简化模型
• 5.5 H∞混合灵敏度控制器设计与仿真
• 5.6 基于攻角的靶弹纵向H∞控制器设计
• 5.7 结果分析
• 5.8 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果