收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2014年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

导弹直接侧向力与气动力复合控制系统分析与设计方法

李权  
【摘要】:随着弹道导弹技术的发展,弹道导弹的弹头再入大气层后通常进行大幅度的螺旋机动来提高生存机会,这要求新一代的防空导弹在拦截目标时应达到“碰撞杀伤”的打击精度。能够达到这种要求的一类拦截导弹是姿控式敏捷导弹,该类导弹具有两种控制力:尾舵产生的气动力,以及在质心前方安装的脉冲发动机组产生的直接侧向力。气动力是连续的,而直接侧向力是脉冲型的,二者同时作用时给导弹的控制器设计及系统的稳定性带来挑战。本文以姿控式复合控制导弹为研究对象,研究了末端制导段导弹的直接侧向力与气动力复合控制问题,主要包括复合控制导弹的特征参数分析以及自动驾驶仪设计。 本文首先推导了复合控制导弹的非线性和线性控制模型,针对这两种控制系统分别提出以非线性系统的不稳定零动态和线性控制对象的非最小相位零点作为特征参数,然后利用特征参数对系统的跟踪性能做了分析并用于指导采样控制设计。由于纯气动力控制系统的零动态不稳定,而复合控制系统的零动态是临界稳定的,根据性能极限理论,两类控制的跟踪性能就有了重要区别:纯气动力控制所能提供的跟踪性能是有限的,而复合控制可以实现完美跟踪。若跟踪性能要求超出纯气动力控制的性能极限,则必须采用复合控制。采样控制设计中考虑脉冲发动机的矩形输出特性,如果气动力控制器设计合理,直接侧向力控制的受控对象仅含一个与离散周期有关的远离虚轴的非最小相位零点,复合控制系统的跟踪性能极限仍然比纯气动力控制的小,有望达到更好的跟踪效果。若气动力控制器设计不合理,直接侧向力控制的受控对象将含有其它非最小相位零点,给复合控制设计带来不良影响。 由于采样控制设计对脉冲发动机动态输出的数学模型十分依赖,一旦模型发生变化采样控制设计方式也要随之改变。对此,本文提出了复合控制导弹非线性最优控制的两步设计方法。首先将直接侧向力和气动力均视为连续量,针对非线性控制模型直接设计连续控制器,然后考虑脉冲发动机和舵系统的动态特性将实际控制量视为计算控制量产生摄动后形成的反馈量,分析闭环系统在实际控制量作用下保持渐近稳定性的充分条件。如果充分条件得到满足,那么闭环跟踪系统保持稳定。这种设计方法不依赖脉冲发动机的输出模型,且直接针对非线性复合控制模型设计,具有比线性控制设计更大的适用范围。本文分别采用状态依赖Riccati方程控制(state-dependent Riccati equation, SDRE)和θ D(Theta-D)控制方法设计连续控制器,并推导了两种方法下保证闭环系统稳定性的充分条件。仿真证实了这种设计方法的有效性和对脉冲发动机不同输出模型的适应性,仿真对比表明Theta-D控制的效果更好。 在两步设计方法的基础上,通过转换思路本文提出了复合控制导弹的间接鲁棒控制方法。这种设计方法将实际控制量与计算控制量的差值视为计算控制量的一种不确定性,把复合控制导弹的加速度跟踪问题虚拟成一个含有输入不确性的鲁棒控制问题。可以证明,这个鲁棒控制问题等价于一个指标函数中含有不确定性界的二次型最优控制问题。若二次型最优控制问题的最优解存在,那么这个最优解也是鲁棒控制问题的解,也就是加速度跟踪问题的解。这个二次型最优控制问题分别采用IR-SDRE控制和IR-Theta-D控制两种方法求解。仿真表明,若要满足加速度响应速度的要求,IR-SDRE控制下的舵偏角出现短暂饱和,而IR-Theta-D控制下的舵偏角不饱和,IR-Theta-D控制是较好的设计方法。侧向喷流干扰下的仿真结果表明,Theta-D控制和IR-Theta-D控制对侧向喷流干扰都具有一定的鲁棒性。 最后为检验前文所提方法在大系统仿真中的有效性,本文综合导弹-目标运动模型,导引律和控制律等完成了复合控制导弹对一个做螺旋机动的弹道导弹的拦截仿真。将采样控制、Theta-D控制和IR-Theta-D控制方法分别应用于拦截仿真,仿真结果验证了各方法的有效性。经过Monte-Carlo仿真得到三种控制方法下脱靶量和脉冲发动机消耗量的统计分布。统计结果表明,Theta-D控制和IR-Theta-D控制对目标机动幅值的变化比采样控制敏感,平均脱靶量随着目标机动幅值的增加而增大,但脉冲发动机的平均消耗量基本不变。在正常的目标机动水平下,IR-Theta-D控制方法表现最好,拦截目标时脱靶量小于3m的概率达到92%,脉冲发动机平均消耗量不超过80个。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TJ765

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李玉林;杨树兴;;先进防空导弹直接力/气动力复合控制关键技术分析[J];兵工学报;2007年12期
2 邹晖,陈万春,王鹏,殷兴良;敏捷导弹气动力/侧向推力复合控制特性分析研究[J];北京航空航天大学学报;2004年03期
3 吴振辉;董朝阳;;直接力/气动力复合控制导弹自适应模糊滑模控制[J];北京航空航天大学学报;2007年09期
4 邢立旦;陈万春;殷兴良;;最优/经典综合法设计直接力/气动力复合控制器[J];北京航空航天大学学报;2009年08期
5 孙平;刘昆;;SDRE方法及其在导弹自动驾驶仪设计中的应用[J];导弹与航天运载技术;2010年04期
6 轩慧娉;马建伟;贾晓洪;杨育荣;;基于在线神经网络的自适应鲁棒飞行控制[J];电光与控制;2011年09期
7 李友年,贾晓洪;一种直接力/气动力复合控制自动驾驶仪的设计方法[J];弹箭与制导学报;2005年02期
8 郑逸峰;姜长生;;拦截导弹直接力和气动力复合控制问题研究[J];弹箭与制导学报;2005年SB期
9 王建琦;贾晓洪;杨育荣;李海峰;;直接力/气动力复合控制非线性控制律研究[J];弹箭与制导学报;2007年05期
10 朱隆魁;汤国建;余梦伦;;防空导弹直接力和气动力复合控制方法[J];弹箭与制导学报;2009年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 冯伟;聂万胜;屠恒章;车学科;;等离子体激励对飞行器流场影响的数值研究[J];兵工自动化;2011年11期
2 彭绍雄;李学园;邹强;;CADET在舰空导弹比例导引制导系统中的应用[J];兵工自动化;2012年03期
3 第五鹏杰;杨树兴;;微小型多旋翼飞行器的非线性建模研究[J];兵工自动化;2012年06期
4 拓怀德;三自由度转动体角度转换的矩阵法[J];兵工学报;1996年02期
5 于英杰,张运,刘藻珍;制导航弹飞行力学中的坐标系研究[J];兵工学报;2002年02期
6 齐占元,徐文旭,张更宇;射击仿真过程中的命中判断方法研究[J];兵工学报;2003年01期
7 张成,杨树兴;姿态稳定火箭弹射程预测仿真研究[J];兵工学报;2005年02期
8 宋振铎,刁青,徐文旭;击顶折转轻型反坦克导弹弹道建模及仿真[J];兵工学报;2005年02期
9 王保成,单家元,刘敏;航空弹药滑动预测制导律的设计[J];兵工学报;2005年05期
10 赵红超,顾文锦,马登武;飞航导弹基于输出重定义的变结构控制[J];兵工学报;2005年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 穆育强;钱龙军;盛安冬;;制导炸弹误差模型的仿真与分析[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 杨宝庆;毕永涛;姚郁;金晶;;基于预测控制的直接侧向力气动力复合控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 李聪颖;韩蕾;于进勇;许晓飞;;反舰导弹末端机动的控制技术比较研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
4 董飞垚;雷虎民;杨志峰;李炯;;基于模型跟踪全局滑模控制理论的导弹控制系统设计[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
5 王永;朱竹婷;张雷;彭程;;弹性体导弹的预见跟踪控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
6 余跃;刘藻珍;;扩展卡尔曼滤波器在导弹制导系统中的应用与仿真[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
7 聂宜云;刘永善;;基于MATLAB/SIMULINK的图像制导航弹仿真建模[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
8 姚郁;毕永涛;王宇航;;大气层内直接侧向力控制拦截导弹末段修正能力分析[A];2009中国控制与决策会议论文集(2)[C];2009年
9 孙东彦;汪德虎;潘红华;马乐梅;;基于Matlab的制导炮弹三点法导引弹道仿真[A];'2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2008年
10 苏浩秦;段娅;郝治国;李洪波;李平坤;;基于分段线性化H_2/H_∞控制对弹道优化研究[A];'2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨涛;面向空间任务的追踪理论与应用研究[D];国防科学技术大学;2010年
2 修观;非线性模型预测控制方法在滑翔弹道控制中的应用研究[D];南京理工大学;2011年
3 徐一鸣;小灵巧炸弹末制导关键技术研究[D];南京理工大学;2011年
4 常思江;某鸭式布局防空制导炮弹的飞行弹道特性与控制方案研究[D];南京理工大学;2011年
5 丁传炳;制导弹箭弹道测量及弹道重构技术研究[D];南京理工大学;2011年
6 毕永涛;直/气复合控制导弹制导控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 赵振昊;TBM拦截弹导引策略与滤波方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 侯明哲;寻的导弹导引与控制一体化设计[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 葛东明;临近空间高超声速飞行器鲁棒变增益控制[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 张路;捷联平台成像末制导关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张斌;基于MIMU的捷联惯性导航系统数据采集与处理技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 马宏男;高速水下航行体半实物实时仿真系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 曾凡菊;弹道修正弹电动舵机控制系统的设计[D];沈阳理工大学;2010年
4 郑学恩;战斧导弹飞行建模与仿真[D];沈阳理工大学;2010年
5 李培林;回收舱再入过程的飞行特性研究[D];电子科技大学;2010年
6 李文昊;便携式地空导弹弹道仿真技术研究[D];中北大学;2011年
7 张刚;基于Simulink/HLA的导弹攻防建模与仿真[D];大连大学;2011年
8 曹云;旋转弹箭单通道侧喷控制方案设计与仿真[D];南京理工大学;2011年
9 张龙龙;扫描平台的设计与分析[D];南京理工大学;2011年
10 李俊苗;导弹比例导引规律研究[D];沈阳理工大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李玉林;杨树兴;;先进防空导弹直接力/气动力复合控制关键技术分析[J];兵工学报;2007年12期
2 邹晖,陈万春,王鹏,殷兴良;敏捷导弹气动力/侧向推力复合控制特性分析研究[J];北京航空航天大学学报;2004年03期
3 胡晓伟;胡国平;王宇晨;;反导系统拦截效果综合评估方法[J];电讯技术;2012年02期
4 邹新生;崔光照;李春文;;大迎角控制的一种神经网络逆系统方法[J];电光与控制;2006年06期
5 纪刚,杨军;基于气动力/直接力复合控制的空空导弹末端制导性能分析[J];弹箭与制导学报;2004年04期
6 李友年,贾晓洪;一种直接力/气动力复合控制自动驾驶仪的设计方法[J];弹箭与制导学报;2005年02期
7 葛致磊,周军;远程地空导弹直接力/气动力复合控制技术研究[J];弹箭与制导学报;2005年02期
8 贾晓洪,凡永华,杨军;一种气动力/直接力复合控制导弹自动驾驶仪设计[J];弹箭与制导学报;2005年03期
9 贾晓洪,凡永华,杨军;气动力/直接力复合控制导弹自动驾驶仪的鲁棒稳定性分析[J];弹箭与制导学报;2005年04期
10 李玉林;刘庆鸿;;直接力/气动力复合控制拦截弹的飞行控制系统设计[J];弹箭与制导学报;2006年04期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 连丽艳,王艳秋;智能复合控制系统的研究现状与展望[J];工业仪表与自动化装置;2004年02期
2 周锐;高晓颖;;导弹复合控制系统的多目标优化设计[J];航天控制;2007年02期
3 朱隆魁;汤国建;余梦伦;;防空导弹直接力/气动力复合控制系统设计[J];宇航学报;2008年06期
4 张建伟;韩朝超;黄树彩;;直接力与气动力复合控制系统设计与仿真[J];现代防御技术;2010年02期
5 张晨;杨军;;防空导弹的复合控制系统设计方案研究[J];计算机仿真;2013年09期
6 宋尔涛;容一鸣;丁汉;;机液复合控制系统的计算机仿真和实验研究[J];武汉工学院学报;1986年01期
7 丁长明;;复合控制系统中补偿系数确定方法的研究[J];航空兵器;1989年04期
8 邹笃镭;邢永新;;电弧炉供电动态无功补偿装置的微机复合控制系统[J];电工技术学报;1991年04期
9 程凤舟,万自明,陈士橹,于本水;防空导弹直接力与气动力复合控制系统设计[J];飞行力学;2003年02期
10 郭建国;周凤岐;周军;;大攻角下防空导弹的气动力/直接力复合控制系统设计[J];弹箭与制导学报;2004年S4期
中国重要会议论文全文数据库 前4条
1 张子龙;;星间目标捕获与跟踪指向复合控制系统研究[A];全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C];2006年
2 张进之;王文瑞;;热连轧张力复合控制系统的探讨[A];1996年中国智能自动化学术会议论文集(下册)[C];1996年
3 杨宝庆;毕永涛;姚郁;金晶;;基于预测控制的直接侧向力气动力复合控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
4 刘德君;郭庆鼎;;煤气加压机恒压PI——模糊复合控制系统[A];全面建设小康社会:中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集(下)[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 王宇航;基于ADRC的直接侧向力/气动力复合控制系统设计[D];哈尔滨工业大学;2009年
2 程凤舟;拦截战术弹道导弹末段导引和复合控制研究[D];西北工业大学;2002年
3 李权;导弹直接侧向力与气动力复合控制系统分析与设计方法[D];哈尔滨工业大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 孙兆兴;高超声速导弹复合控制方法[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 王宏利;导弹复合控制系统切换控制方法[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 王芳;鸭式布局导弹的直接力/气动力复合控制[D];哈尔滨工业大学;2008年
4 赵鑫岩;基于多水质参数融合的锅炉连排复合控制系统[D];东北电力大学;2014年
5 匡东政;空间机动平台与武器载荷复合控制系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 杨延丽;临近空间拦截弹直接侧向力/气动力复合控制[D];哈尔滨工业大学;2013年
7 陈志豪;大气层内拦截弹直接力/气动力复合控制研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
8 沙建科;滚转导弹喷流直接力与气动力复合控制研究[D];西北工业大学;2004年
9 刘美林;变频驱动液压复合控制系统的研究[D];中南大学;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026