BTT航弹控制系统设计分析与仿真

论文摘要

本文来源于哈尔滨工业大学与航天科技集团第七研究院研发中心共同签订的关于某型航空炸弹(简称航弹)的合作项目,文中主要完成了该航弹的航迹跟踪控制和自动驾驶仪控制系统的设计与分析,并且做了数学仿真验证和稳定性分析等研究。首先,本文对航弹控制系统进行了设计,主要包括两部分:航迹跟踪和自动驾驶仪的设计。在航迹跟踪控制系统设计中,根据合作甲方(七院)给定的航弹标准航迹和拟采用的倾斜转弯(BTT)控制模式,完成了航迹跟踪控制算法及控制指令生成算法的设计。在自动驾驶仪设计中,针对航弹的俯仰/偏航相对耦合的被控对象特性,首先在不考虑耦合作用条件下,利用具有积分控制的LQR设计方法,完成对自动驾驶仪(三通道独立)系统的设计。然后,在此基础上,通过引入协调控制支路,完成对航弹的俯仰和偏航运动耦合有抑制作用的自动驾驶仪的最终设计。数学仿真结果表明,上述两个系统设计是正确和有效的。其次,本文对自动驾驶仪的性能指标进行了分析,主要包括两部分:即是对不考虑耦合作用的自动驾驶仪性能指标分析,其中含时域和频域指标分析及鲁棒稳定性分析等;对考虑耦合作用并引入协调支路的多变量自动驾驶仪系统的性能分析,其中含关联性与鲁棒稳定性分析等。本文对鲁棒稳定性分析采用了基于系统奇异值最小增益定理等有关稳定性理论。分析结果表明所设计的系统性能良好,满足设计要求。最后,本文对航弹全系统进行了仿真,其中包括全系统六自由度数学仿真和基于Matlab/simulink/xPC的全系统实时仿真。仿真中详细地考虑了航弹的非线性,变参数和六自由度相互耦合的复杂性,并在考虑存在各种干扰力和干扰力矩及初始偏差等条件下完成的。仿真结果表明本文所设计的控制系统能够控制航弹快速、稳定并准确地跟踪标准航迹,并有效地抑制了侧滑飞行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究目的与意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究目的与意义
• 1.2 国内外研究和应用现状
• 1.3 基于BTT控制技术的自动驾驶仪研究概况
• 1.4 多变量控制系统性能分析
• 1.5 本文主要研究的内容
• 第2章 航迹跟踪
• 2.1 引言
• 2.2 航迹跟踪数学模型
• 2.3 控制方案的设计
• 2.3.1 标准航迹的设定
• 2.3.2 偏差信号的生成
• 2.3.3 控制指令的生成
• 2.4 航迹跟踪系统仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 自动驾驶仪的设计
• 3.1 引言
• 3.2 航弹控制模型
• 3.3 无静差LQR设计方案
• 3.4 自动驾驶仪的设计
• 3.4.1 三通道独立设计
• 3.4.2 协调控制及设计方法
• 3.4.3 协调控制自动驾驶仪仿真验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 BTT航弹自动驾驶仪性能指标分析
• 4.1 引言
• 4.2 鲁棒稳定性定理与系统关联性判据
• 4.2.1 鲁棒稳定性定理
• 4.2.2 系统关联性判据
• 4.3 三通道独立设计结果分析
• 4.3.1 单变量系统稳定性分析
• 4.3.2 单变量系统的鲁棒稳定性分析
• 4.4 协调回路的分析
• 4.4.1 多变量系统关联性分析
• 4.4.2 多变量系统的鲁棒稳定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 全系统仿真
• 5.1 引言
• 5.2 全弹道数学仿真模型
• 5.2.1 目标模型
• 5.2.2 弹体动力学模型
• 5.2.3 航弹运动学模型
• 5.3 6DOF数学仿真与结果分析
• 5.4 系统实时仿真
• 5.4.1 xPC目标简介
• 5.4.2 实时仿真
• 5.5 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