【摘要】：高超聲速滑翔飛行器憑借其長航程、強突防和高打擊精度等優(yōu)勢,現(xiàn)已成為世界各大軍事強國必爭之地并已上升至國家戰(zhàn)略層面。變質(zhì)心控制技術(shù)依靠內(nèi)部可移動滑塊實現(xiàn)姿態(tài)控制和彈道機動目的,能夠良好解決氣動舵面燒蝕、氣動外形保持、側(cè)噴擾流和燃料限制等工程應(yīng)用難點,使其在高超聲速再入彈頭以及高超聲速滑翔飛行器的機動控制領(lǐng)域具有明顯應(yīng)用優(yōu)勢。單滑塊布局在滿足控制性能要求的前提下能夠減少執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量以優(yōu)化飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu),同時經(jīng)濟節(jié)約制造成本,成為目前較有應(yīng)用前景的構(gòu)型方案。因此,本文針對一種單滑塊滾控式變質(zhì)心高超聲速飛行器,考慮其屬于欠驅(qū)動耦合非線性系統(tǒng)且具有固定配平攻角等特有屬性,圍繞高突防、強穩(wěn)定和高精度末段再入打擊任務(wù)中的動力學(xué)、制導(dǎo)與控制問題展開研究。首先,考慮地球自轉(zhuǎn)和非球形攝動影響,基于質(zhì)點系動量定理和動量矩定理建立了完整的系統(tǒng)空間運動模型,揭示了變質(zhì)心控制的特點;考慮高超聲速再入飛行環(huán)境下不能沿用傳統(tǒng)線性氣動系數(shù)假設(shè),基于CAV-H飛行試驗氣動數(shù)據(jù)建立了氣動升力系數(shù)和阻力系數(shù)模型;鑒于俯仰通道無主動控制輸入特點,基于Lyapunov第一法分析了包括滑塊安裝位置和質(zhì)量比在內(nèi)的滑塊參數(shù)對氣動縱向靜穩(wěn)定性和配平攻角的影響,推導(dǎo)了穩(wěn)定性判據(jù)和配平攻角解析表達式,分析結(jié)果為滑塊參數(shù)設(shè)計提供了量化參考。接著,考慮到飛行器依靠滾轉(zhuǎn)調(diào)整升力面方向?qū)崿F(xiàn)傾斜轉(zhuǎn)彎機動,設(shè)計了滾轉(zhuǎn)單通道自抗擾控制器以完成滾轉(zhuǎn)角指令跟蹤,并與線性經(jīng)典控制器進行了結(jié)果對比分析;考慮到整個飛行器在通道交叉耦合和滑塊慣性耦合下屬于強非線性、強耦合系統(tǒng),進行了三通道耦合動力學(xué)特性分析并針對分析結(jié)果所揭示的不能忽略側(cè)滑角鎮(zhèn)定控制問題,提出了滾/偏耦合欠驅(qū)動自抗擾控制器,基于粒子群優(yōu)化算法進行了多控制器參數(shù)優(yōu)化,解決了單個滑塊控制輸入同時實現(xiàn)指令滾轉(zhuǎn)角跟蹤和側(cè)滑角鎮(zhèn)定控制的此類飛行器的欠驅(qū)動控制難點問題,充分利用了單滑塊的耦合控制能力。然后,考慮到所研究飛行器配平升力不可調(diào)節(jié)導(dǎo)致無法沿用傳統(tǒng)俯仰-轉(zhuǎn)彎雙平面解耦的制導(dǎo)律設(shè)計思路,建立了適應(yīng)此類飛行器的三維制導(dǎo)模型,并設(shè)計推導(dǎo)了能夠解決剩余升力問題的一般情況下的滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)律以提高末端打擊精度;考慮到現(xiàn)代戰(zhàn)場對飛行器突防能力和制導(dǎo)系統(tǒng)魯棒性能的更高要求,充分利用飛行器的螺旋彈道特性,設(shè)計了螺旋機動突防誤差角指令并提出了自適應(yīng)滑模滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)律以跟蹤誤差角指令,該制導(dǎo)律能夠滿足末段制導(dǎo)精度要求、機動突防要求和抗干擾能力要求。最后,考慮到實際再入打擊任務(wù)是在制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)聯(lián)合作用下完成,設(shè)計了“自適應(yīng)滑模滾轉(zhuǎn)制導(dǎo)+滾/偏耦合欠驅(qū)動控制”的制導(dǎo)控制六自由度聯(lián)合數(shù)字離散仿真方案,并設(shè)計了兩套控制器參數(shù)以滿足全彈道控制器適用性;六自由度攝動仿真結(jié)果表明所提出的控制器能夠真實有效解決側(cè)滑耦合擾動以及其他不確定性因素影響并穩(wěn)定跟蹤制導(dǎo)指令,所提出的制導(dǎo)律也能夠聯(lián)合完成高突防、強穩(wěn)定和高精度的末段再入打擊任務(wù)。
【圖文】：

圖 1-1 變質(zhì)心滾控式構(gòu)型方案[16]2000 年美國的 Chadwick 等人[17]首次將變質(zhì)心控制應(yīng)用在了動能攔設(shè)計了沿彈體三軸平移運動的三滑塊全驅(qū)動構(gòu)型方案。Menon 等004 年在 Chadwick 的研究基礎(chǔ)上建立了九自由度運動模型，并針性化后的系統(tǒng)基于極點配置法設(shè)計了一套制導(dǎo)控制一體化方案，仿明在小滑塊偏移情況下能夠完成目標(biāo)攔截且能相對提高攔截精度。[19]于 2006 年進一步研究了有限視野下的魯棒制導(dǎo)控制一體化系統(tǒng)魯棒非線性控制問題轉(zhuǎn)化為微分博弈問題并利用多步法進行求解，表明在目標(biāo)存在不確定性情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)攔截。2009 年 Men]繼續(xù)針對此種三滑塊構(gòu)型的動能攔截彈，采用狀態(tài) Riccati 方ate-Dependent Riccati Equation, SDRE）設(shè)計了制導(dǎo)控制一體化方案果表明該方法具有控制高效性且能夠?qū)⒚摪辛靠刂圃谶h(yuǎn)小于攔截彈內(nèi)。2008 年佐治亞理工大學(xué)的 Rogers 和 Costello[21,22]研究了橫向移運動單滑塊對彈丸動力學(xué)和運動學(xué)特性的影響。其中，在橫向作

用以反映阻力系數(shù)和升力系數(shù)分別單獨隨攻角和馬赫數(shù)的變化情況。從圖2-3a)中可以看到，阻力系數(shù)與攻角成近似二次函數(shù)變化關(guān)系，與馬赫數(shù)成近似負(fù)指數(shù)變化關(guān)系；從圖 2-3b)中可以看到，，升力系數(shù)與攻角成近似線性
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1;V448

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