SINS/GPS制导炸弹变结构制导控制系统设计与研究

论文摘要

SINS/GPS制导炸弹工程研制中制导控制系统设计将面临两大实际问题：其一,炸弹是无动力的,要达到“大射程、大落角、高精度”的战术技术指标要求,制导律应如何设计；其二,大空域的工作环境,导致制导炸弹在飞行中必然受到气动参数大范围摄动以及外界随机干扰的影响,如何解决飞行控制系统的鲁棒性问题。针对上述实际工程问题,本文基于变结构控制理论研究了SINS/GPS制导炸弹制导与控制系统设计的关键技术,并通过相关仿真与试验对方法的正确性与可行性进行了验证。所做的研究工作归纳如下：1、根据SINS/GPS制导炸弹无动力特点和末端弹道角约束要求,采用了“中制导+有落角约束的变结构末制导”的复合制导律,确保了“大射程、大落角、高精度”的战术技术指标得以有效实现。中制导基于升阻比最大对攻角进行优化,以增加制导炸弹的前飞距离。末制导采用两种变结构控制方法设计了有落角约束的末制导律,其一是模糊变结构末制导律,设计了时变滑模面与指数趋近律,可根据弹目相对距离来自适应地调整滑模趋近速度,同时引入模糊控制来自动调节变结构控制中的切换项大小以削弱系统抖振；其二是非奇异terminal滑模末制导律,采用非奇异terminal滑模控制方法设计了制导律,能够保证制导系统状态非奇异地于有限时间内到达滑模面,并且较模糊变结构末制导律具有较大的过载指令裕度,为大机动制导飞行创造了条件。2、针对SINS/GPS制导炸弹大空域飞行条件下的参数不确定性以及飞行过程中受到的外界各种随机干扰,采用模型参考变结构自适应控制方法来设计制导炸弹自动驾驶仪。该自动驾驶仪集自适应控制与变结构控制二者优点于一体：一方面确保系统状态按照规定的动态特性进入滑动模态,以利于改善控制系统的动态品质；另一方面变结构控制固有的鲁棒自适应性特点能抑制参数大范围摄动,有利于提高控制精度。通过几类典型的数字仿真说明了模型参考变结构自动驾驶仪的有效性。3、为使得制导与控制系统具有更好的综合性能,基于非奇异terminal滑模控制进行了制导与控制系统的一体化综合设计。首先建立了制导控制系统的一体化状态方程,在充分考虑制导回路与控制回路的不确定性基础上,利用非奇异terminal滑模控制方法,设计了制导控制一体化状态反馈控制律。然后通过数字仿真的方法,与将制导回路和控制回路分开独立设计的传统制导控制系统设计方法做比较。结果表明一体化变结构制导控制系统不仅能保证制导炸弹以期望的落角精确地命中目标,而且能更好地动态规划控制量大小,控制信号输出平稳,为更复杂情况下的飞行控制系统设计提供了理论参考。4、从制导炸弹投放域与命中精度两个方面研究了变结构制导控制系统的性能。建立了计算投放域的六自由度模型,提出了基于优化理论解算投放域的方法,仿真计算了不同投弹条件下的投放域,研究了影响投放域大小的因素。全面分析了SINS/GPS制导炸弹飞行过程中的各种制导误差和非制导误差,并建立了相应的误差模型。然后进行了存在各种误差源干扰下的蒙特卡洛打靶仿真,仿真结果表明了命中精度仍满足战术技术指标要求,从而说明变结构制导控制系统良好的鲁棒性。5、最后通过转台半实物仿真试验和模拟轰炸跑车试验的研究,进一步验证了所设计的变结构制导控制系统的有效性与可行性。研究成果对于SINS/GPS制导炸弹的总体设计、飞机挂飞试验以及投弹试验等有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 制导炸弹研究概况
• 1.3 变结构控制在飞行器制导控制中的应用
• 1.3.1 变结构控制理论发展简介
• 1.3.2 变结构控制在飞行器制导上的应用
• 1.3.3 变结构控制理论在飞行控制上的应用
• 1.3.4 变结构控制在制导控制一体化设计上的应用
• 1.4 制导控制系统的性能分析
• 1.4.1 制导炸弹投放域
• 1.4.2 制导炸弹命中精度分析
• 1.5 论文主要研究内容与章节结构
• 2 SINS/GPS制导炸弹数学模型与变结构控制理论基础
• 2.1 坐标系定义及其转换
• 2.2 有控六自由度刚体弹道模型
• 2.3 扰动运动分析与建模
• 2.3.1 非线性微分方程线性化
• 2.3.2 纵向扰动运动方程组
• 2.3.3 侧向扰动运动方程组
• 2.4 变结构控制理论基础
• 2.4.1 变结构控制的基本概念
• 2.4.2 线性变结构控制的一般性质
• 2.4.3 变结构控制系统设计方法
• 2.5 本章小结
• 3 SINS/GPS制导炸弹制导系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 SINS/GPS制导炸弹与目标的相对运动学模型
• 3.2.1 制导问题的数学描述
• 3.2.2 制导炸弹与目标相对运动学的合理简化
• 3.3 制导信息获取方法
• 3.3.1 SINS/GPS组合导航系统信息融合算法
• 3.3.2 SINS/GPS组合导航系统导航参数的可靠性论证
• 3.3.3 虚拟导引头算法
• 3.4 SINS/GPS制导炸弹制导方案总体构想
• 3.5 SINS/GPS制导炸弹中制导律
• 3.5.1 最大升阻比优化模型的推导
• 3.5.2 最优滑翔攻角的求解方法
• 3.6 SINS/GPS制导炸弹模糊变结构末制导律设计
• 3.6.1 落角约束的数学描述
• 3.6.2 有落角约束的变结构末制导律设计
• 3.6.3 模糊控制器设计
• 3.6.4 仿真算例与分析
• 3.7 非奇异Terminal滑模（NTSM）末制导律
• 3.7.1 NTSM控制方法
• 3.7.2 NTSM末制导律设计
• 3.7.3 数字仿真及分析
• 3.8 本章小结
• 4 SINS/GPS制导炸弹飞行控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 飞控系统数学模型与测量元件数学模型
• 4.2.1 飞控系统数学模型的合理简化
• 4.2.2 测量元件的线性数学模型
• 4.3 模型参考变结构自适应控制系统设计
• 4.3.1 模型参考变结构自适应控制方法简述
• 4.3.2 一般多变量时变线性不确定系统的模型跟踪问题描述
• 4.3.3 模型参考变结构自适应控制律设计方法
• 4.3.4 模型参考变结构控制系统的稳定性分析
• 4.4 SINS/GPS制导炸弹滚转自动驾驶仪设计
• 4.4.1 滚转通道模型参考误差方程的建立
• 4.4.2 滚转通道控制律
• 4.5 SINS/GPS制导炸弹俯仰、偏航自动驾驶仪设计
• 4.5.1 俯仰、偏航通道参考模型选择
• 4.5.2 俯仰、偏航通道模型参考误差方程的建立
• 4.5.3 俯仰、偏航通道控制律
• 4.6 SINS/GPS制导炸弹飞行控制数字仿真
• 4.6.1 飞控系统仿真参数确定
• 4.6.2 数字仿真结果与分析
• 4.7 基于变结构控制的制导与控制系统一体化设计
• 4.7.1 SINS/GPS制导炸弹俯仰平面制导控制一体化模型推导
• 4.7.2 一体化制导控制律设计
• 4.7.3 仿真算例与分析
• 4.8 本章小结
• 5 SINS/GPS制导炸弹制导控制系统性能分析
• 5.1 SINS/GPS制导炸弹投放域仿真计算
• 5.1.1 投放域计算的数学模型
• 5.1.2 计算投放域的方法
• 5.1.3 投放域仿真计算与分析
• 5.2 蒙特卡洛模拟打靶仿真
• 5.2.1 蒙特卡洛方法简介
• 5.2.2 圆概率误差CEP计算
• 5.2.3 SINS/GPS制导炸弹误差模型与分析
• 5.2.4 模拟打靶结果及精度分析
• 5.3 本章小结
• 6 SINS/GPS制导炸弹半实物仿真
• 6.1 半实物仿真的目的
• 6.2 开展半实物仿真的几项关键技术
• 6.2.1 舵偏角控制量的分解
• 6.2.2 测量机构误差补偿与测量噪声处理
• 6.2.3 变结构制导控制指令的防抖与限幅
• 6.3 转台半实物仿真试验
• 6.3.1 系统组成和描述
• 6.3.2 正交试验方案设计
• 6.3.3 试验结果与分析
• 6.4 模拟轰炸跑车试验
• 6.4.1 模拟轰炸系统构成与仿真方案
• 6.4.2 投弹条件的模拟
• 6.4.3 模拟轰炸试验结果及分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文研究工作的总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录