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旋转导弹制导控制与稳定性问题研究

发布时间:2019-07-01 09:00 来源:未知 编辑:admin

  导弹采用旋转体制有利于简化控制系统组成、降低产品成本,有利于产品小型化、系统兼容性,以及有利于脉冲矢量控制,在制导武器系统中应用广泛。同时面向未来武器系统多样化、智能化、协同一体化以及低成本的发展趋势,旋转导弹具有巨大的发展潜力和应用前景。尽管如此,旋转引起俯仰和偏航通道之间严重的动力学耦合,导致在飞行中弹体可能出现不收敛的锥形运动,在导弹制导与控制系统设计过程中,必须考虑锥形运动稳定性问题。耦合不仅影响系统稳定性,而且严重影响制导与控制系统的输出响应,导致旋转导弹性能下降,因此制导和控制系统设计时还须考虑解耦等问题。 本文建立了旋转导弹复数和形式的数学描述,并分别构建了旋转导弹过载驾驶仪、典型三回路驾驶仪、轨迹跟踪制导、弹体追踪制导、以及寻的比例导引的模型框架,对这些制导控制回路作用下弹体的锥形运动稳定性进行了研究。利用复系数线性系统稳定性判别方法,解析推导了过载驾驶仪和三回路驾驶仪系统的锥形运动稳定性条件,并进一步通过算例仿真验证了其正确性。分析表明,旋转使得导弹驾驶仪的设计稳定域大大减小,而且转速越高,耦合越严重,设计参数的稳定域越小;依照传统分通道独立方式设计的驾驶仪几乎无法保证弹体的锥形运动稳定。一般情况下,控制执行机构滞后等引起的控制耦合是导致旋转导弹锥形运动不稳定的主要因素;加速度计的安装位置也对锥形运动有重要影响,在驾驶仪设计时应予以恰当的处理。对于过载驾驶仪,比例积分校正相比纯比例环节具有更好的稳态精度,但是积分环节使得设计稳定域进一步减小。本文还解析推导了带有制导回路的锥形运动稳定条件,并结合算例分别给出了轨迹跟踪回路增益、弹体追踪指令转化系数和比例导引系数的设计稳定区域。结果显示,旋转使得导弹制导系统参数的设计稳定域明显减小,制导回路参数设计不当极易引起导弹锥形运动不稳定。此外,数值仿真结果表明,锥形运动不收敛或收敛速度慢将会使得导弹的制导精度降低;相同条件下,弹体转速越高,锥形运动越明显,会引起更大的脱靶量。 为了克服动力学耦合给旋转导弹制导控制系统设计带来的困难,利用系统对称耦合的特点,从复系数系统的角度出发,提出了一种基于状态反馈交叉补偿的解耦控制器设计方法。该方法通过设计复数形式的反馈增益系数消除导弹俯仰和偏航方向的动力学耦合,利用极点配置方法可以使得系统具有期望的性能。交叉反馈补偿解耦控制器可以等价转换为过载驾驶仪和三回路驾驶仪系统,并易于通过增益表和函数插值方法实现控制器调度。仿真结果验证了其良好的解耦能力。 为了增强旋转导弹制导控制系统对快速时变飞行参数的自适应能力,本文研究了基于参数依赖Lyapunov函数的鲁棒变增益自动驾驶仪设计方法。利用鲁棒变增益技术,将旋转导弹定义为仿射参数依赖的线性参数变化系统,构建参数依赖的动态输出反馈控制器,使得系统稳定并具有次优H性能。通过有界实引理,该问题可转化为一个由线性矩阵不等式约束的凸优化问题,进而可求解得到控制器。本文还提出了一种状态反馈解耦与鲁棒变增益相结合的自动驾驶仪架构,算例分析表明,该自动驾驶仪在鲁棒稳定性、可行性、保守性、自适应能力、动态解耦性能等方面均具有良好的表现。

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