气动力/直接力复合控制拦截弹制导与控制方法研究

论文摘要

随着现代战争中导弹技术的飞速发展,拦截弹作为一种先进的反导武器受到了越来越多的关注。为了提高拦截弹的作战能力,以应对突防能力不断增强的战术弹道导弹,需要增强拦截弹自身的机动能力。气动力/直接力复合控制技术作为增强拦截弹机动能力的有效途径,引起了反导系统研究领域的重视。在这一背景下,本文研究了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导与控制问题。首先建立了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的数学模型。定义了研究姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹所需要的坐标系,并且给出了相应的坐标转换关系;在此基础上给出了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的数学模型,其中包括姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的质心运动方程、绕质心运动方程、空气舵模型和脉冲推力器模型,并使用喷流交感因子描述了脉冲推力器所产生的直接力的喷流交感效应,为后续的研究奠定了基础。其次研究了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导方法。在视线坐标系中建立了三维空间内拦截弹与目标之间的相对运动模型,为制导规律的设计奠定了基础;设计了滑模制导规律,给出了拦截弹与目标之间相对距离的估算方法,并给出了滑模制导规律中切换项系数的确定方法和切换项的修正方法,克服了滑模制导方法易产生抖动的缺陷。仿真结果验证了该制导方法的有效性。然后研究了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的控制方法。提出了气动力控制与直接力控制的复合策略,仅在末端对气动力控制和直接力控制进行分配,不仅能够充分发挥空气舵的作用,而且能够保证空气舵、副翼和脉冲推力器的控制能量之和最小;在建立拦截弹控制模型的基础上,给出了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的动态逆控制方法;并且使用增广状态观测器对系统的未建模特性和未知扰动进行了估计,克服了动态逆控制方法依赖于被控对象精确数学模型的缺陷。仿真结果验证了该控制方法的有效性。而后研究了脉冲推力器的点火算法。给出了脉冲推力器在不同点火原理下的点火算法,并分析了不同点火算法的优势和缺陷,在此基础上提出了一种新的脉冲推力器点火算法,考虑了弹体自旋运动对直接力分量的影响,进而补偿了对点火指令的跟踪偏差;并对常规遗传算法的遗传操作进行了适当改进,基于改进后的遗传算法对脉冲推力器的点火数量进行了离线优化,根据优化结果进行在线查找,保证了脉冲推力器的直接力控制精度,并在此基础上给出了脉冲推力器点火算法的操作过程。仿真结果验证了该点火算法的有效性。最后研究了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导控制仿真平台。在分析仿真平台需求的基础上,设计了仿真平台的结构,并建立了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导控制仿真平台,针对姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹进行了制导控制仿真试验,仿真结果验证了姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导方法、控制方法和脉冲推力器点火算法的可行性和有效性。本文的研究工作为研究姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导与控制问题提供了方案,并且为相关问题的进一步研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表索引
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景和意义
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 反导系统的发展与现状
• 1.3.2 制导方法的研究现状
• 1.3.3 复合控制方式的研究现状
• 1.3.4 气动力/直接力复合系统控制方法的研究现状
• 1.3.5 脉冲推力器点火算法的研究现状
• 1.3.6 喷流交感效应的研究现状
• 1.4 需要研究的问题
• 1.5 研究的主要内容
• 第2章 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 相关坐标系及坐标转换关系
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 坐标转换关系
• 2.3 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的数学模型
• 2.3.1 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的绕质心运动方程
• 2.3.2 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的质心运动方程
• 2.3.3 空气舵的数学模型
• 2.3.4 脉冲推力器的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹制导方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 拦截弹与目标的相对运动模型
• 3.2.1 视线坐标系定义
• 3.2.2 三维空间内拦截弹与目标的相对运动模型
• 3.3 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的制导方法
• 3.3.1 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的滑模制导方法
• 3.3.2 拦截弹与目标之间相对距离的估算方法
• 3.3.3 切换项系数的确定方法
• 3.3.4 切换项的修正方法
• 3.4 仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹控制方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 气动力控制与直接力控制的复合策略
• 4.3 基于增广状态观测器的姿控式气动力态逆控制方法
• 4.3.1 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹控制模型
• 4.3.2 姿控式气动力/直接力复合控制自旋拦截弹的动态逆控制方法
• 4.3.3 基于增广状态观测器的拦截弹动态逆控制方法
• 4.4 仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 脉冲推力器的点火算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 已有的脉冲推力器点火算法分析
• 5.2.1 脉冲推力器的对称点火算法
• 5.2.2 脉冲推力器的叠加点火算法
• 5.2.3 脉冲推力器的扫角点火算法
• 5.3 一种新的脉冲推力器点火算法
• 5.3.1 脉冲推力器点火方向的确定方法
• 5.3.2 脉冲推力器点火数量的确定方法
• 5.3.3 脉冲推力器点火算法的操作过程
• 5.4 仿真验证
• 5.5 本章小结
• 第6章 拦截弹制导控制仿真平台设计与实现
• 6.1 引言
• 6.2 拦截弹制导控制仿真平台设计
• 6.2.1 拦截弹制导控制仿真平台的需求分析
• 6.2.2 拦截弹制导控制仿真平台的结构设计
• 6.2.3 拦截弹制导控制仿真验证机理
• 6.3 拦截弹制导控制仿真平台的实现
• 6.4 拦截弹制导控制仿真验证
• 6.4.1 目标类型的定位
• 6.4.2 目标机动方式的描述
• 6.4.3 仿真验证
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历