不规则路面坦克高速行进间发射的多维泰勒网优化控制及外弹道仿真

摘要

在不规则路面上行驶的坦克将随地形的起伏而振动。这种振动再加上坦克火炮发射装置固有的射击延迟无疑将导致坦克炮的炮身轴线偏离正确的射击位置，造成炮弹的发射方向在高低和水平方向上产生偏差。为了解决这一问题，现代坦克都采用了能够稳定坦克炮的稳定装置，也即炮控系统，以实现快速调炮和精确瞄准。然而，即便如此仍然不能保证坦克弹丸能准确命中目标。因为弹丸从离开火炮到飞抵目标这段时间内将受到各种内在和外在随机因素的影响，这些影响将导致坦克火炮的射弹散布，从而影响坦克火炮命中率。鉴于此，本文的研究内容分为两大部分，即坦克火炮控制系统的研究和坦克火炮弹丸的外弹道研究。
　　第一部分，提出了一种基于多维泰勒网优化控制(MTN Optimal Control)的坦克火炮稳定控制系统的设计方法。这一部分包括坦克模型的建立、坦克火炮稳定控制系统的设计以及控制器参数的调优和仿真等内容。借助于Adams(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)强大的多体动力学仿真分析能力，将建立包含强烈非线性和耦合性的坦克虚拟样机作为被控对象。MTN优化控制系统的设计则在Matlab下完成，并以动态链接库的方式供Adams调用。由于多维泰勒网控制器参数较多，因此本文将使用一种所谓的“单纯形法”的参数优化方法来对控制器参数进行优化。最终在Adams下进行仿真分析，仿真结果证明了MTN优化控制有比PID优化控制更快的反应速度、更小的稳态误差;在坦克炮管可控的前提下，MTN优化控制下的坦克具有比PID优化控制下更高的行进速度。
　　第二部分，首先分别建立旋转稳定弹丸在真空和空气中飞行的质心运动数学模型并仿真分析二者的差异。然后，在此基础上建立包含角运动的弹丸刚体六自由度数学模型，分析弹丸在飞行过程中角运动对质心运动的影响。最后，研究旋转稳定弹丸的飞行稳定性问题和各种随机因素对弹丸射弹散布及命中精度的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 坦克炮控系统及外弹道学简介

1．1．2 课题研究目的及意义

1．1．3 研究现状及发展趋势

1．2 项目介绍

1．3 论文结构安排

第二章 坦克虚拟样机的建立及控制器设计

2．1 虚拟样机技术概况

2．1．1 简介

2．1．2 虚拟样机技术与Adams

2．2 Adams／ATV及坦克虚拟样机的建立

2．2．1 Adams／ATV简介

2．2．2 虚拟样机建立

2．2．3 履带包裹及路面文件的导入

2．3 控制系统设计步骤

2．4 本章小结

第三章 多维泰勒网控制器设计及参数优化

3．1 多维泰勒网原理

3．2 MTN控制器设计方法

3．3 控制系统参数优化

3．3．1 参数优化的数学表述

3．3．2 目标函数的选择

3．4 单纯形法

3．4．1 单纯形法原理

3．4．2 初始单纯形的构造

3．4．3 对单纯形法的改进

3．4．4 单纯形法的编程实现

3．5 仿真结果及分析

3．5．1 单纯形法寻优过程分析

3．5．2 炮管控制仿真结果分析

3．6 本章小结

第四章 弹丸飞行的受力分析

4．1 与地球相关的力

4．1．1 重力及重力加速度

4．1．2 科氏惯性力

4．2 作用在弹丸上的空气动力和力矩

4．2．1 旋转稳定弹丸的零升阻力

4．2．2 有攻角时作用在弹丸上的静态空气动力和力矩

4．2．3 作用在弹丸上的动态空气动力和动力矩

4．3 本章小结

第五章 真空外弹道和空气外弹道模型的建立及仿真

5．1 真空外弹道

5．1．1 真空外弹道模型的建立

5．1．2 真空外弹道仿真

5．2 空气外弹道

5．2．1 空气外弹道模型的建立

5．2．2 空气外弹道仿真

5．3 本章小结

第六章 旋转弹丸六自由度外弹道模型的建立及仿真

6．1 坐标系及坐标变换

6．1．1 坐标系

6．1．2 坐标转换

6．2 科氏惯性力及风的扰动

6．2．1 科氏惯性力

6．2．2 风扰动下的气动力和力矩

6．3 旋转弹丸六自由度模型的建立

6．4 旋转弹丸飞行六自由度模型仿真

6．5 旋转弹丸的飞行稳定性

6．5．1 稳定性判据

6．5．2 二圆运动

6．6 旋转弹丸角运动及散布分析

6．6．1 风引起的角运动及其散布分析

6．6．2 弹丸弹重及初速偏差引起的射弹散布

6．6．3 初始射角引起的射弹散布

6．8 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作内容及结果总结

7．1．1 工作内容

7．1．2 结果总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

发表论文列表