十字型鸭翼布局旋转弹控制研究

摘要

火箭弹是一种成本较低、结构简单的非制导弹药，可用于攻击军事工事、坦克、装甲车等静止或活动目标。火箭弹多采用旋转弹体方案，可以减小火箭发动机推力偏心、气动不对称、质量偏心等对弹道散布的影响，旋转产生的陀螺效应也可以稳定弹体飞行。通过旋转，火箭弹可以用一对鸭翼同时对纵、侧向运动进行操纵，即单通道控制。为提高控制精度和效率，可同时安装两对鸭翼实现双通道控制。但是，弹体旋转产生的耦合作用以及引起的其它效应，使得旋转导弹的飞行控制比非旋转导弹更为复杂。本文以十字型鸭翼布局的旋转火箭弹为研究对象，具体内容如下：
　　首先，分析了十字鸭翼对火箭弹的周期平均控制力及其控制原理，研究了控制信号的形成和作用方式。通过旋转弹所受力和力矩分析，建立了旋转弹的外弹道数学模型，采用小扰动线性化得到了时变线性模型和传递函数。
　　其次，根据飞行条件和指标要求，设计了鸭翼舵面形状及尺寸，根据铰链力矩和功率需求选择相应的电机，并对舵机系统进行建模和仿真，分析了线性电动舵机饱和特性对控制性能的影响。
　　然后，分析了旋转弹耦合特性和耦合因素，设计了前置反馈补偿解耦控制律，对旋转弹存在的运动耦合、控制耦合进行了解耦，仿真实验表明，该控制器实现了过载回路解耦，为后续弹道修正控制律设计奠定了基础。
　　最后，设计了旋转弹弹道修正纵侧向PID控制器，并通过模糊算法对PID控制参数进行了在线优化。全弹道数值仿真表明，所设计的控制器能满足旋转弹的控制精度要求。论文的研究工作对进一步工程化实现具有重要的参考意义。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第二章 旋转弹动力学模型的建立

2.1 坐标系定义及其转换关系

2.2 旋转弹十字鸭翼控制机理分析

2.3 旋转弹受力和力矩分析

2.4 旋转弹运动学分析与建模

2.5 旋转弹瞬态数学模型与均态数学模型的建立

2.6 弹体数学模型的数值仿真验证

2.7 本章小结

第三章 十字鸭翼旋转弹执行机构设计与仿真

3.1 十字鸭翼舵面形状确定

3.2 电动舵机设计

3.3 电机速度饱和对控制系统的影响分析

3.4 本章小结

第四章 旋转弹过载解耦控制律设计与仿真

4.1 系统耦合特性分析

4.2 姿态解耦控制系统设计与仿真

4.3 过载解耦控制系统设计与仿真

4.4 本章小结

第五章 旋转弹弹道修正控制系统设计及仿真

5.1 高度和航向控制系统结构设计

5.2 高度回路PID控制器设计及参数整定

5.3高度回路模糊PID控制器设计

5.4全弹道仿真与分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结与创新之处

6.2 研究展望和建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文