炮弹滑翔弹道设计与控制弹道特性研究

论文摘要

增程技术是弹箭技术重点发展方向之一,而滑翔增程是目前采用的较为有效的一种弹箭增程技术。本文围绕炮弹滑翔增程研究中遇到的一些基础理论和技术问题,对其滑翔弹道理论与设计方法等进行研究。根据滑翔增程炮弹的外形特点,选择确定出能够计算不同舵面、尾翼(弹翼)和弹体形状及其相对位置下的气动力计算方法,该气动力计算方法不仅具有良好的计算精度和较快的计算速度,而且具有较好的通用性,能够适应不同炮弹外形变化的计算。建立了鸭式布局滑翔增程炮弹的气动外形优化数学模型,以滑翔飞行过程中全弹的升阻比为目标函数,以一些气动性能和结构参数等为约束条件,研究提出一种滑翔增程炮弹气动外形参数的优化设计方法。根据滑翔增程炮弹的气动特性和运动特点,建立了其空间运动的六自由度数学模型;利用庞特里亚金((?))极小值原理建立了描述炮弹滑翔飞行的微分方程,证明了炮弹滑翔飞行过程中存在最优解,采用最优控制中的直接法对炮弹滑翔飞行控制参数的最优变化规律进行了优化设计;提出在工程上可以采用最大升阻比滑翔飞行直接弹道解法近似逼近最优滑翔弹道的设计方法。通过对滑翔增程炮弹的滑翔弹道进行数值计算,分析了影响炮弹滑翔弹道的主要因素及其区别于常规炮弹的一些弹道特性。利用小扰动理论,对滑翔增程炮弹的刚体弹道微分方程组作了线性化处理,建立了弹体的传递函数。应用飞行力学中的传递函数分析法,对滑翔增程炮弹未扰动运动的静稳定性、纵向自由扰动运动的动稳定性和舵面阶跃偏转时弹体的操纵性进行了分析研究,结果表明该方法应用在滑翔增程炮弹滑翔飞行过程中弹体的动态特性分析中是可行的,能够直观明显地体现出滑翔增程炮弹在滑翔飞行过程中是否具有良好的抗干扰能力和快速响应控制信号的能力。利用分数阶微积分理论设计出一种新的PID控制器——分数阶PI~λD~μ控制器,系统地分析了分数阶PI~λD~μ控制器的控制器参数(K_P、K_D、K_I、λ、μ)对系统性能的影响,提出了基于幅值裕度和相角裕度的参数整定方法。研究了滑翔增程炮弹角稳定回路和高度控制回路的分数阶控制器设计方法,并对某滑翔增程炮弹算例分别进行了分数阶控制器和整数阶PID控制器设计,仿真结果表明该设计方法设计的分数阶控制器较PID控制器有其自身的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 炮弹滑翔增程的研究背景和意义
• 1.1.1 炮弹增程的需求背景
• 1.1.2 炮弹增程的意义和技术途径
• 1.1.3 炮弹滑翔增程技术概述
• 1.2 炮弹滑翔增程的国内外研究现状
• 1.2.1 滑翔增程炮弹的气动外形设计研究状况
• 1.2.2 滑翔弹道理论研究现状
• 1.2.3 应用最优控制理论求解最优滑翔基准弹道问题
• 1.2.4 滑翔飞行过程中弹体的动态特性分析研究现状
• 1.2.5 滑翔飞行过程中控制系统的设计理论和方法研究状况
• 1.2.6 弹上探测技术与数据处理方法研究现状
• 1.3 炮弹滑翔增程研究中需解决的相关弹道理论和设计方法
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.4.1 滑翔增程炮弹的气动外形设计方法研究
• 1.4.2 滑翔增程炮弹的全飞行弹道运动数学模型
• 1.4.3 炮弹滑翔飞行时的最优滑翔弹道研究
• 1.4.4 滑翔增程炮弹弹体动态特性分析方法研究
• 1.4.5 滑翔增程炮弹控制器的设计方法及其特性分析
• 2 滑翔增程炮弹的气动外形设计方法研究
• 2.1 滑翔增程炮弹外形设计的主要要求
• 2.2 滑翔增程炮弹气动外形的类型及特点
• 2.2.1 滑翔增程炮弹的主要结构特点
• 2.2.2 滑翔增程炮弹的气动类型
• 2.3 滑翔增程炮弹的部件气动外形设计理论
• 2.3.1 尾翼气动外形设计
• 2.3.1.1 尾翼平面形状的选择
• 2.3.1.2 尾翼剖面形状（翼型）的确定
• 2.3.2 弹身气动外形设计
• 2.3.3 舵面气动外形设计
• 2.3.3.1 舵面参数确定的原则
• 2.3.3.2 舵面几何参数的选择
• 2.4 滑翔增程炮弹的气动外形设计方法
• 2.4.1 滑翔增程炮弹的气动力计算方法
• 2.4.2 滑翔增程炮弹的气动外形优化设计方法
• 2.4.2.1 滑翔增程炮弹的气动外形参数优化数学模型
• 2.4.2.2 气动外形优化设计的相关条件
• 2.4.3 气动外形优化设计算例
• 3 滑翔增程炮弹的受力分析及飞行力学模型
• 3.1 常用坐标系的建立及其坐标变换
• 3.1.1 常用坐标系的定义
• 3.1.2 坐标变换
• 3.1.3 描述炮弹运动姿态的角度定义
• 3.2 作用在滑翔增程炮弹上的力
• 3.2.1 重力G
• P'>3.2.2 火箭增程发动机推力F_P
• 3.2.3 作用在滑翔增程炮弹上的总空气动力R
• 3.3 作用在炮弹上的力矩
• 3.4 滑翔增程炮弹运动方程组的建立
• 3.4.1 动力学方程
• 3.4.2 运动学方程
• 3.4.3 质量变化方程
• 3.4.4 几何关系式
• 3.4.5 控制关系方程
• 3.4.6 运动方程组及其简化
• 3.4.6.1 全弹道刚体运动方程组
• 3.4.6.2 可操纵质点运动方程
• 3.4.6.3 炮弹无侧滑滑翔飞行的质点运动方程
• 3.4.6.4 纵向平面内炮弹滑翔飞行的质点运动方程
• 4 炮弹滑翔飞行时的最优滑翔弹道研究
• 4.1 最优弹道设计简述
• 4.1.1 问题的描述
• 4.1.2 庞特里亚金（Л.С.Понтрягин）极小值原理
• 4.2 炮弹滑翔飞行时的无量纲运动方程
• 4.2.1 无量纲运动方程的基本假设
• 4.2.2 无量纲变量的选择
• 4.2.3 无量纲运动方程
• 4.3 纵向平面内炮弹的最优滑翔飞行
• 4.3.1 纵向平面内炮弹滑翔飞行的无量纲运动方程
• 4.3.2 炮弹滑翔飞行运动方程
• 4.3.3 炮弹滑翔飞行弹道的数值计算
• HO对滑翔飞行弹道的影响'>4.3.3.1 初始滑翔高度y_HO对滑翔飞行弹道的影响
• HO对滑翔飞行弹道的影响'>4.3.3.2 初始滑翔速度V_HO对滑翔飞行弹道的影响
• HO对滑翔飞行弹道的影响'>4.3.3.3 初始滑翔弹道倾角θ_HO对滑翔飞行弹道的影响
• LHO对滑翔飞行弹道的影响'>4.3.3.4 初始升力控制参数k_LHO对滑翔飞行弹道的影响
• 4.3.4 炮弹滑翔飞行轨迹的最优控制
• 4.3.5 炮弹滑翔飞行的舵偏角设计
• 4.3.5.1 最优滑翔飞行解法
• 4.3.5.2 最大升阻比滑翔飞行直接解法
• 4.3.5.3 最大升阻比滑翔飞行直接解法的计算分析
• 4.4 滑翔增程炮弹的方案弹道设计及数值计算
• 4.4.1 滑翔增程炮弹的方案弹道设计
• 4.4.1.1 无控飞行段弹道设计
• 4.4.1.2 滑翔飞行段弹道设计
• 4.4.2 滑翔增程炮弹的方案弹道数值计算分析
• 4.4.2.1 无控段飞行弹道数值计算分析
• 4.4.2.2 滑翔飞行段弹道数值计算分析
• 5 滑翔增程炮弹弹体动态特性分析方法研究
• 5.1 滑翔增程炮弹控制系统的任务及组成
• 5.2 滑翔增程炮弹控制系统的设计指标要求
• 5.2.1 稳定性
• 5.2.2 过渡过程中的系统品质
• 5.3 滑翔增程炮弹弹体动态特性分析方法
• 5.3.1 滑翔增程炮弹控制系统的数学模型
• 5.3.1.1 扰动运动方程组
• 5.3.1.2 滑翔增程炮弹的传递函数
• 5.3.2 特征点的选择
• 5.3.3 滑翔增程炮弹纵向动态特性分析
• 5.3.3.1 滑翔增程炮弹未扰动运动稳定性分析
• 5.3.3.2 滑翔增程炮弹纵向自由扰动运动的特性研究
• 5.3.3.3 舵面阶跃偏转时滑翔炮弹的纵向响应特性研究
• 5.3.3.4 滑翔增程炮弹算例纵向动态特性分析
• 6 分数阶控制在滑翔增程炮弹控制系统中的应用
• 6.1 分数阶控制器的定义和分数阶控制器的设计方法
• 6.1.1 整数阶PID控制器的定义及参数整定方法
• λD^μ）的定义'>6.1.2 分数阶控制器（PI^λD^μ）的定义
• 6.1.2.1 分数阶微积分定义
• 6.1.2.2 分数阶控制器定义
• λD^μ控制器参数对系统性能的影响'>6.1.3 PI^λD^μ控制器参数对系统性能的影响
• P对系统性能的影响'>6.1.3.1 K_P对系统性能的影响
• I对系统性能的影响'>6.1.3.2 K_I对系统性能的影响
• D对系统性能的影响'>6.1.3.3 K_D对系统性能的影响
• 6.1.3.4 λ对系统性能的影响
• 6.1.3.5 μ对系统性能的影响
• λD^μ控制器的参数整定方法'>6.1.4 PI^λD^μ控制器的参数整定方法
• 6.2 滑翔增程炮弹的分数阶控制器设计方法
• 6.2.1 角稳定回路的分数阶控制器设计
• λ₁D^μ₁控制器参数的整定'>6.2.1.1 角稳定回路中PI^λ₁D^μ₁控制器参数的整定
• 6.2.1.2 俯仰角稳定回路的分数阶控制器性能分析
• 6.2.2 高度控制回路的分数阶控制器设计
• 6.2.3 某滑翔增程炮弹算例分数阶控制器性能分析
• 6.2.3.1 俯仰角稳定回路的分数阶控制器性能分析
• 6.2.3.2 高度控制回路的分数阶控制器性能分析
• 7 结束语
• 7.1 本文的主要创新点
• 7.2 尚待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录