直接力控制的大气层外动能拦截器末段制导控制研究

论文摘要

本文主要研究了大气层外动能拦截器(EKV)末段制导控制问题。EKV在拦截大气层外来袭的弹道导弹时,需要针对目标的机动突防做出快速的反应,并最终用动能碰撞的方式杀伤目标。这就对EKV的导引律设计和姿态控制系统提出了很高的要求。另外,EKV在末段拦截过程中,其姿控推力是由脉冲固体火箭发动机组提供,在设计姿态控制系统时,应充分考虑这种推力形式带来的影响。基于大气层外动能拦截器的特点,结合以上问题,本文进行了以下的研究工作:首先,建立了动能拦截器仿真分析的六自由度模型,并建立了EKV轨道控制发动机和姿态控制发动机的模型。其次,研究了滑模变结构控制理论在动能拦截器末段导引律设计中的应用,并在前人工作的基础上,针对传统滑模变结构导引律(ASMG)容易造成视线角速率抖振的现象,本文引入模糊神经网络系统对滑模变结构导引律的变结构项参数进行优化来削弱抖振。为了避免神经网络系统在线学习速度慢的缺陷,采取应用大量先验数据对模糊神经网络系统进行离线训练的方式,使得在线学习时神经网络系统可以快速得到最优的滑模变结构项参数。再次,针对EKV姿态控制中出现的三通道强耦合、非线性的特点,应用滑模变结构控制理论设计了EKV姿态控制器,为了消除抖振的影响,减少姿控发动机消耗,本文为滑模姿态控制器设计了智能控制规则,对不同的控制误差选择不同的控制力矩,在保证控制精度的前提下尽可能的削弱抖振。同时,针对EKV特有的姿态控制执行机构——分布式脉冲火箭发动机组,设计了补偿点火算法。仿真分析表明,智能滑模姿态控制器与补偿点火算法相结合可以完成动能拦截器末制导段的姿控任务。最后,将质心漂移和推力偏心对动能拦截器末段控制的影响引入了六自由度仿真系统。在考虑动能拦截器姿轨控耦合的情况下,对不同机动形式的目标进行了模拟打靶试验,并分析了不同机动形式对脱靶量造成的影响。仿真结果表明,本文设计的末段导引律、姿态控制器以及姿控发动机系统点火算法可以满足动能拦截器的工作要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 末段导引律研究现状
• 1.2.2 动能拦截器姿态控制研究现状
• 1.2.3 脉冲姿控发动机点火算法研究现状
• 1.2.4 滑模变结构控制研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 空间拦截问题的数学模型
• 2.1 仿真对象数学模型
• 2.1.1 一些基本假设
• 2.1.2 常用坐标系定义
• 2.1.3 各坐标系间转换关系
• 2.1.4 动能拦截器与目标的数学模型
• 2.2 大气层外动能拦截器发动机数学模型
• 2.2.1 轨控发动机模型
• 2.2.2 姿控发动机模型
• 2.3 滑模变结构控制
• 2.3.1 滑模变结构控制的一些基本原理、概念和定义
• 2.3.2 滑动模态的到达条件
• 2.3.3 滑模变结构控制的抖振问题
• 2.4 模糊神经网络
• 2.4.1 模糊神经网络基本知识
• 2.4.2 模糊神经网络模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 动能拦截器末段导引律研究
• 3.1 基于视线坐标系的EKV与目标相对运动状态方程
• 3.2 基于模糊神经网络的滑模变结构导引律
• 3.2.1 滑模变结构导引律的一般形式推导
• 3.2.2 滑模变结构导引律的抖振问题
• 3.3 基于模糊神经网络的滑模导引律仿真结果与分析
• 3.3.1 仿真参数设定
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 动能拦截器姿态控制系统设计
• 4.1 动能拦截器姿态运动模型分析
• 4.2 智能自适应滑模姿态控制器设计
• 4.2.1 俯仰子系统姿态控制器设计
• 4.2.2 偏航子系统姿态控制器设计
• 4.2.3 滚转子系统姿态控制器
• 4.2.4 智能自适应滑模姿态控制器
• 4.3 动能拦截器姿控系统点火算法设计
• 4.3.1 脉冲发动机数学模型转化
• 4.3.2 点火算法流程
• 4.4 智能滑模姿态控制器仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 大气层外动能拦截器六自由度仿真
• 5.1 EKV六自由度仿真模型
• 5.2 仿真分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• Acknowledgements