旋转弹箭单通道控制系统参数设计

摘要

单通道控制的旋转弹箭具有系统组成简单、成本低、受制造误差影响小等优点，因此单通道控制技术在制导炮弹、制导火箭弹、反坦克导弹、防空导弹等领域得到了广泛应用。本文以低速旋转制导迫弹为研究对象，开展了低速旋转弹箭的弹道建模与优化设计、弹道特性分析、制导控制系统设计等方面的研究工作。 首先，针对低速旋转制导迫弹采用的控制方式，定义了鸭舵坐标系，对制导迫弹弹体和控制舵机所受力和力矩进行分析，建立了制导迫弹七自由度空间运动方程组，为后续研究构建了基础理论模型。 其次，考虑到低速旋转制导迫弹采用捷联式导引头进行末制导受到导引头视场约束，建立了考虑捷联式导引头视场约束的制导迫弹弹道优化模型，采用改进的粒子群算法直接获得方案攻角和飞行时间。仿真结果表明，优化所得弹道在满足各项约束条件的基础上能够在较高的弹道高度令捷联式导引头尽早地探测到目标。 第三，采用小扰动假设和系数“冻结”法，推导出了低速旋转制导迫弹线性化运动方程组和弹体传递函数，并基于制导迫弹动态稳定性条件设计出合理的稳态转速。通过对旋转条件下制导迫弹的动态特性进行分析，进一步验证设计转速的合理性。 第四，针对低速旋转制导迫弹单通道控制特点，设计了制导迫弹纵向、侧向制导律，讨论了单通道控制指令生成方案，对比研究了制导迫弹单通道开环、闭环控制方案效果。根据舵机伺服系统设计要求，建立了舵机动力学模型，设计了伺服电机速度环、位置环控制参数。 最后，基于制导迫弹单通道控制系统和伺服电机控制系统进行七自由度弹道仿真。仿真结果表明，所设计的制导控制系统和相应的参数能够满足总体设计要求，本文的研究结果可以为低速旋转制导迫弹工程研制提供参考。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景和目的

1．1．1研究背景

1．1．2本文的研究目的和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国内外旋转弹箭发展现状

1．2．2旋转弹箭动力学建模与分析

1．2．3旋转弹箭制导控制系统研究

1．3本文的主要工作

2低速旋转制导迫弹弹道模型

2．1引言

2．2低速旋转制导迫弹的系统组成和工作原理

2．2．1低速旋转制导迫弹系统组成

2．2．2低速旋转制导迫弹工作原理

2．3常用坐标系和坐标系转换关系

2．3．1常用坐标系的定义

2．3．2坐标系转换关系

2．4低速旋转制导迫弹受到的力和力矩分析

2．4．1作用在低速旋转制导迫弹上的力

2．4．2作用在低速旋转制导迫弹上的力矩

2．4．3控制舵机所受力和力矩分析

2．5低速旋转制导迫弹七自由度弹道方程

2．5．1动力学方程

2．5．2运动学方程

2．5．3几何关系方程

2．5．4风干扰模型的建立

2．5．5低速旋转制导迫弹的七自由度弹道方程

2．6本章小结

3低速旋转制导迫弹弹道优化设计

3．1引言

3．2弹道优化计算模型建立

3．2．1低速旋转制导迫弹工作过程

3．2．2纵向平面弹道模型建立

3．2．3捷联式导引头空间探测模型的建立

3．3优化问题描述

3．3．1目标函数

3．3．2约束条件

3．3．3优化模型

3．4基于粒子群算法的弹道优化设计方法

3．4．2改进的粒子群优化算法

3．4．3罚函数的引入

3．5弹道优化结果与分析

3．5．1仿真条件

3．5．2仿真结果与分析

3．6本章小结

4低速旋转制导迫弹弹道特性分析

4．1引言

4．2低速旋转制导迫弹扰动运动建模

4．2．1等效弹体转速和等效舵偏角

4．2．2制导迫弹运动方程组线性化

4．2．3制导迫弹弹体的传递函数

4．3低速旋转制导迫弹弹体的动态稳定性

4．3．1动态稳定性条件

4．3．2转速设计

4．4低速旋转制导迫弹动态特性分析

4．5本章小结

5低速旋转制导迫弹制导控制系统设计

5．1引言

5．2制导迫弹制导系统设计

5．2．1制导律设计

5．2．2制导律参数设计

5．3单通道控制系统设计

5．3．1单通道控制指令设计

5．3．2控制量的转换关系

5．3．3制导迫弹单通道开环控制系统

5．3．4制导迫弹单通道闭环控制系统

5．4舵机控制系统设计

5．4．1控制舵机动力学建模

5．4．2伺服电机控制回路设计

5．5制导控制系统仿真

5．6本章小结

6总结与展望

6．1本文工作总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录