滑翔增程制导炮弹弹道优化及制导控制方法研究

摘要

制导炮弹兼有战术导弹和普通炮弹的优点，不但单发成本低、反应迅速，而且具有较高的打击精度，是炮弹技术重点发展方向之一。本文以某鸭式布局低旋制导炮弹为研究对象，围绕该类制导炮弹研制过程中遇到的理论和技术问题，对其方案弹道优化设计与制导控制系统设计进行了较为系统的研究。
　　根据低速滚转制导炮弹的气动特性和运动特点，建立了其空间运动六自由度飞行动力学模型，并针对不同的应用场合需求，推导了用于研究方案弹道的简化制导炮弹运动模型、计及通道间耦合效应的姿态控制模型以及导引数学模型。
　　为了弥补传统直接配点法对弹道优化问题离散精度有限的不足，构造了一种自适应网格更新策略，使节点能够依据离散误差的大小自动调整，在保证计算效率的基础上，提高了直接配点法的离散精度。综合考虑实际飞行环境中的模型误差、启控点参数偏差、气动力偏差以及气象偏差等不确定因素，引入线性协方差分析法评估方案弹道对各种不确定因素的敏感度，提出了一种不确定飞行环境下的弹道优化方法，从而为滑翔制导炮弹方案弹道的合理设计提供参考。针对滑翔制导炮弹在飞行过程中的特点，将全弹道划分为起飞段、助推段、爬升段以及滑翔段，建立了多阶段弹道优化模型，研究了全弹道优化设计方法，为最优射角、助推火箭点火时间、滑翔启控点以及滑翔段飞行姿态提供了设计参考。
　　研究了滑翔制导炮弹的方案弹道跟踪问题。在最优控制理论的框架下，结合Gauss伪谱法，提出了一种具有解析解的间接Gauss伪谱弹道跟踪制导律。该算法不需要任何的积分或优化迭代过程，避免了求解黎卡提微分方程，在很大程度上提高了计算效率，并且随着求解问题规模的增大，这种优势更为明显。通过和GPOPS软件进行对比，验证了间接Gauss伪谱法具有很高的计算精度。此外，该算法还可以非常容易地处理复杂形式的加权矩阵，使得性能指标函数的设计更为灵活。为了降低间接Gauss伪谱弹道跟踪制导律对制导炮弹运动模型的依赖，基于虚拟点追踪的思想，提出了另外一种非线性弹道跟踪制导律。通过引入虚拟目标点，建立了弹道跟踪数学模型，并给出了一种适配于弹道跟踪问题的期望视线角，采用快速非奇异终端滑模和动态面控制方法进行了制导律设计，利用Lyapunov稳定性准则证明了所提的非线性弹道跟踪制导律的收敛性。仿真分析并对比了以上两种算法的弹道跟踪效果，同时也总结了二者各自的适用特点，为实际使用提供一定的指导。
　　结合低速滚转制导炮弹俯仰和偏航通道耦合严重的特点，提出了一种基于轨迹线性化(TLC)的姿态控制方法。利用时标分离的原则，将姿态角回路和角速度回路分开进行研究，利用TLC前馈加反馈的控制框架，使各回路的误差动态特性沿标称轨迹指数稳定，保证了整个闭环系统能够保持较好的控制性能。为了进一步提高姿态控制器在受扰情况下的控制品质，提出了一种最大程度保留TLC优良特性，同时增强其在扰动作用下的鲁棒性的改进方案。采用韩式跟踪微分器计算指令信号的微分值，有效抑制了峰值现象，考虑由系统建模误差、气动参数摄动以及外部扰动组成的不确定性，设计扩张状态观测器对系统不确定性进行估计补偿，同时采用新型的积分滑模面进行各回路的反馈控制律设计。仿真结果验证了改进后的控制器在干扰的影响下仍能够保持良好的控制性能，可以满足滑翔制导炮弹高精度及强鲁棒性的控制要求。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 制导炮弹研究概况

1．3 滑翔制导炮弹系统构成及工作原理

1．4 滑翔制导炮弹相关理论及技术研究现状

1．4．1 弹道优化方法研究状况

1．4．2 弹道优化软件开发状况

1．4．3 弹道跟踪方法研究状况

1．4．4 末制导律研究状况

1．5 论文的结构安排

2 滑翔弹飞行弹道数学模型

2．1 概述

2．2 低旋滑翔弹六自由度仿真模型

2．2．1 常用坐标系的定义

2．2．2 滑翔弹运动方程

2．2．3 作用在制导炮弹上的气动力和力矩

2．3 简化的滑翔弹运动模型

2．4 姿态控制模型

2．5 导引数学模型

2．5．1 带攻击角约束的相对运动模型

2．5．2 弹目三维相对运动模型

2．6 本章小结

3 方案弹道优化设计

3．1 概述

3．2 网格自适应滑翔弹道优化

3．2．1 NLP问题转化

3．2．2 网格自适应算法

3．2．3 网格自适应技术分析

3．2．4 滑翔弹道优化

3．3 考虑不确定因素的滑翔弹道优化

3．3．1 不确定因素建模

3．3．2 线型协方差模型

3．3．3 弹道优化模型

3．3．4 考虑不确定因素的弹道优化结果

3．4 全程弹道优化设计

3．4．1 多阶段弹道优化模型

3．4．2 多阶段优化问题的离散

3．4．3 全弹道优化结果与分析

3．5 本章小结

4 弹道跟踪制导律

4．1 概述

4．2 基于间接伪谱法的弹道跟踪制导律

4．2．1 问题描述

4．2．2 间接Gauss伪谱法

4．2．3 制导算法流程

4．2．4 数值仿真与结果分析

4．3 基于虚拟点追踪的弹道跟踪制导律

4．3．1 问题描述

4．3．2 制导律设计

4．3．3 跟踪误差收敛性分析

4．3．4 数值仿真与结果分析

4．4 本章小结

5 低旋滑翔弹的非线性姿态控制算法

5．1 概述

5．2 非线性系统轨迹线性化控制

5．3 基于TLC方法的低旋滑翔弹姿态控制系统设计

5．3．1 姿态角回路控制器设计

5．3．2 角速度回路控制器设计

5．3．3 数值仿真与结果分析

5．4 基于干扰观测器的低旋滑翔弹姿态控制系统设计

5．4．1 扰动观测器与积分滑模控制器设计

5．4．2 闭环系统稳定性分析

5．4．3 数值仿真与结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文研究工作总结

6．2 论文主要创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文