制導炸彈是各國大力發(fā)展并廣泛使用的精確制導武器,投放空域大、命中精度高且外形結構簡單。當今制導炸彈的實際應用一方面需要保證精度,另一方面需要降低成本。高精度低成本制導炸彈正是當今重要的發(fā)展趨勢之一。制導炸彈飛行全程氣動參數(shù)攝動大、內(nèi)外擾動劇烈,為實現(xiàn)高精度要求需要控制系統(tǒng)具有強魯棒性;若僅使用彈上四片氣動操縱舵面的三片就可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制,則可以取消不參與控制過程的舵面對應的舵機,這樣的改造可使制導炸彈成本顯著降低。本文在此背景下,從實際工程應用角度出發(fā),主要研究制導炸彈古典控制和自抗擾控制兩種方法以及舵面卡死故障模式下的控制指令分配問題。首先,建立了能夠描述制導炸彈空間運動狀態(tài)的全量6DOF數(shù)學模型;依據(jù)小擾動線性化假設推導了線性擾動運動方程組,并給出三通道解耦的控制模型;基于質(zhì)點運動3DOF模型設計了一條標準彈道。其次,基于古典控制理論,分別對三通道設計了PID控制器;以高度作為調(diào)度參數(shù)在標準彈道上選取特征點,利用“系數(shù)凍結”法求得動力系數(shù),并通過時頻域分析設計了控制參數(shù);以增益定序的方式進行6DOF仿真和蒙特卡洛打靶。然后,針對單點PID控制參數(shù)全局魯棒性差,而增益定序無法在理論上進行穩(wěn)定性證明的不足,同時考慮到制導炸彈飛行全程內(nèi)部參數(shù)攝動大和外部擾動不確定性大,采用自抗擾控制(ADRC)設計了三通道控制器,角度環(huán)和角速度環(huán)均采用ADRC控制,過載環(huán)則使用PI控制;閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性通過Lyapunov方法進行證明;在特征點處進行三通道控制參數(shù)設計,單點仿真、6DOF仿真和蒙特卡洛打靶證明了ADRC比古典控制具有更強的魯棒性和抗擾能力。最后,為解決利用三片氣動操縱舵面進行控制的控制分配問題,根據(jù)偽逆法計算量小但未能考慮舵面位置約束,而不動點迭代法能夠將約束限制加入優(yōu)化過程得特點,提出了以偽逆法計算結果作為迭代初值,再通過不動點迭代尋優(yōu)的操縱舵面混合控制分配方法;基于該方法進行故障模式下控制分配6DOF仿真,結果表明控制指令能夠被準確分配到三片操縱舵面上,實現(xiàn)制導炸彈的穩(wěn)定控制。綜上,本文的研究內(nèi)容可為自抗擾在制導炸彈控制中的應用以及導彈容錯控制相關方向提供有益參考,為現(xiàn)有制導炸彈的低成本化改造提供研究思路。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TJ414
【部分圖文】：

1.2 國內(nèi)外相關領域研究進展1.2.1 制導炸彈國內(nèi)外研究現(xiàn)狀制導炸彈的打擊精度高、結構設計簡單且使用方便，是戰(zhàn)爭中廣泛使用的空對地精確打擊武器，也是當今世界各國的研究熱點之一[3]。制導炸彈的起源可以追溯到 20 世紀 40 年代，德國在二戰(zhàn)期間使用的“弗利茲-X”炸彈最早應用于戰(zhàn)爭的一種制導炸彈。越南戰(zhàn)爭期間，美軍在軍事目標打擊中使用了白星眼（Walleye)電視制導炸彈和和寶石路（Paveway）激光制導炸彈等新型制導體制炸彈[4]。隨后，多制導體制制導炸彈廣泛應用于海灣戰(zhàn)爭。海灣戰(zhàn)爭后，美軍針對現(xiàn)有制導炸彈在實戰(zhàn)存在的缺點，提出了“惡劣天氣用精確制導彈藥（AWPGM）”計劃[5]，旨在發(fā)展一種具有多目標攻擊能力、全天候攻擊、晝夜攻擊的先進高精度打擊制導炸彈。美軍在該計劃下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制導炸彈和 LGB-250 激光制導炸彈在內(nèi)的多種具有不同作戰(zhàn)用途的制導炸彈[6]。國外有代表性的制導炸彈外形示意圖如以下各圖所示。

1.2 國內(nèi)外相關領域研究進展1.2.1 制導炸彈國內(nèi)外研究現(xiàn)狀制導炸彈的打擊精度高、結構設計簡單且使用方便，是戰(zhàn)爭中廣泛使用的空對地精確打擊武器，也是當今世界各國的研究熱點之一[3]。制導炸彈的起源可以追溯到 20 世紀 40 年代，德國在二戰(zhàn)期間使用的“弗利茲-X”炸彈最早應用于戰(zhàn)爭的一種制導炸彈。越南戰(zhàn)爭期間，美軍在軍事目標打擊中使用了白星眼（Walleye)電視制導炸彈和和寶石路（Paveway）激光制導炸彈等新型制導體制炸彈[4]。隨后，多制導體制制導炸彈廣泛應用于海灣戰(zhàn)爭。海灣戰(zhàn)爭后，美軍針對現(xiàn)有制導炸彈在實戰(zhàn)存在的缺點，提出了“惡劣天氣用精確制導彈藥（AWPGM）”計劃[5]，旨在發(fā)展一種具有多目標攻擊能力、全天候攻擊、晝夜攻擊的先進高精度打擊制導炸彈。美軍在該計劃下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制導炸彈和 LGB-250 激光制導炸彈在內(nèi)的多種具有不同作戰(zhàn)用途的制導炸彈[6]。國外有代表性的制導炸彈外形示意圖如以下各圖所示。

制導炸彈的起源可以追溯到 20 世紀 40 年代，德國在二戰(zhàn)期間使用的“弗利茲-X”炸彈最早應用于戰(zhàn)爭的一種制導炸彈。越南戰(zhàn)爭期間，美軍在軍事目標打擊中使用了白星眼（Walleye)電視制導炸彈和和寶石路（Paveway）激光制導炸彈等新型制導體制炸彈[4]。隨后，多制導體制制導炸彈廣泛應用于海灣戰(zhàn)爭。海灣戰(zhàn)爭后，美軍針對現(xiàn)有制導炸彈在實戰(zhàn)存在的缺點，提出了“惡劣天氣用精確制導彈藥（AWPGM）”計劃[5]，旨在發(fā)展一種具有多目標攻擊能力、全天候攻擊、晝夜攻擊的先進高精度打擊制導炸彈。美軍在該計劃下先后研制出包括GPS/INS-JDAM 制導炸彈和 LGB-250 激光制導炸彈在內(nèi)的多種具有不同作戰(zhàn)用途的制導炸彈[6]。國外有代表性的制導炸彈外形示意圖如以下各圖所示。圖 1-1 小直徑制導炸彈 SDB 圖 1-2 手術刀制導炸彈
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本文編號：2885830