亚轨道飞行器上升段控制方法研究

论文摘要

亚轨道飞行是指飞行器在飞行高度上抵达外层空间边缘,但速度尚不足以完成绕地球轨道运行的一种飞行状态。论文以亚轨道飞行器为研究对象,以工程应用为最终目的,对亚轨道飞行器上升段姿态控制问题进行了深入研究。首先,本文根据亚轨道飞行器飞行环境和弹道特点,详细推导出了亚轨道飞行器的六自由度运动模型,以某型亚轨道飞行器为对象,根据小扰动法对飞行器的运动模型进行线性化,建立了亚轨道飞行器的纵向扰动运动模型和侧向扰动运动模型。根据各项总体数据建立了气动力和气动力矩系数计算模型、发动机推力模型,再根据标准弹道参数对所建立的纵向扰动运动模型和侧向扰动运动模型进行分析简化,最终建立了便于工程计算的亚轨道飞行器纵向扰动运动、侧向扰动运动和滚转扰动运动简化方程,根据各通道扰动运动方程,对亚轨道飞行器的动力学特性进行了仿真分析。然后,结合神经网络的理论知识,研究和分析了神经网络与PID结合的几种方式及其学习算法,对PID控制和神经网络相结合的控制算法进行研究,建立了基于CHNN的PID控制器参数优化模型,并以亚轨道飞行器滚转通道PID控制器设计为例,给出了调节时间短、超调量小的PID参数。接着,利用前文建立的亚轨道飞行器三通道数学模型进行数值求解,根据各通道定点数学模型进行基于CHNN的PID控制器参数优化设计,构建了控制系统仿真软件平台,对亚轨道飞行器进行六自由度仿真,分析了亚轨道飞行器上升段的姿态控制相关性能。最后,为验证前文数学建模方法,建立了固体火箭(侧重于学生自主设计研制)滚转通道的数学模型,并进行动力学特性分析。对固体火箭滚转通道的模型进行数值求解并设计控制器,在此基础上,对固体火箭滚转通道进行数字仿真,再结合半实物仿真平台对固体火箭进行半实物仿真验证,利用设计完成的控制系统完成固体火箭发射试验,并对遥测数据进行分析,利用阶跃响应法研究了影响固体火箭飞行控制系统性能的主要因素。论文的研究可为亚轨道飞行器控制系统设计提供理论基础,同时也为小型固体运载器控制系统研发提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景与目的
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究对象特点
• 1.1.3 论文研究目的
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 亚轨道飞行器研究现状
• 1.2.2 飞行器控制系统研究现状
• 1.3 论文结构与研究内容
• 1.3.1 论文结构
• 1.3.2 论文研究内容
• 第二章 亚轨道飞行器运动模型的建立与分析
• 2.1 引言
• 2.2 运动模型的建立
• 2.2.1 亚轨道飞行器质心运动的动力学方程
• 2.2.2 亚轨道飞行器绕质心转动的动力学方程
• 2.2.3 亚轨道飞行器运动学方程
• 2.2.4 控制关系方程
• 2.2.5 补充方程
• 2.2.6 标准弹道仿真
• 2.3 运动模型的线性化
• 2.3.1 纵向扰动运动模型的建立
• 2.3.2 侧向扰动运动模型的建立
• 2.4 运动模型的分析及简化
• 2.4.1 气动力和气动力矩计算
• 2.4.2 发动机推力模型
• 2.4.3 纵向扰动运动模型的分析及简化
• 2.4.4 侧向扰动运动模型的分析及简化
• 2.5 动力学特性分析
• 2.5.1 主要特征点分析
• 2.5.2 俯仰通道稳定性分析
• 2.5.3 偏航通道稳定性分析
• 2.5.4 滚转通道稳定性分析
• 2.6 小结
• 第三章 亚轨道飞行器控制方法设计
• 3.1 引言
• 3.2 PID神经网络控制理论
• 3.2.1 网络结构与输出计算
• 3.2.2 学习算法
• 3.3 PID神经网络设计
• 3.3.1 基于CHNN的PID控制结构
• 3.3.2 基于CHNN的PID控制器参数优化计算
• 3.3.3 PID控制算法
• 3.4 PID神经网络仿真
• 3.5 小结
• 第四章 亚轨道飞行器姿态控制系统仿真
• 4.1 引言
• 4.2 基于PID神经网络的控制设计
• 4.2.1 亚轨道飞行器俯仰通道控制设计研究
• 4.2.2 亚轨道飞行器滚转通道控制设计研究
• 4.3 亚轨道飞行器飞行数值仿真
• 4.3.1 仿真模型的建立
• 4.3.2 控制性能分析
• 4.4 小结
• 第五章 固体火箭姿态控制系统设计与试验
• 5.1 引言
• 5.2 固体火箭动力学特性分析
• 5.3 固体火箭滚转通道控制设计
• 5.4 固体火箭滚转通道控制仿真
• 5.4.1 全数字仿真分析
• 5.4.2 半实物仿真分析
• 5.5 固体火箭发射试验及数据分析
• 5.5.1 发射实验
• 5.5.2 发射数据分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果