基于变质心控制方式的再入弹头控制模式研究

弹头变质心机动控制是通过移动弹头的质心位置,利用气动配平力矩改变弹头的飞行姿态和攻角,从而可实现弹头机动控制。本文在推导变质心弹头的动力学方程的基础上,通过分析其方程组的特点并结合弹头再入过程中的气动、速度等参数变化规律,给出了变质心弹头再入过程中宜采用的控制模式,为变质心弹头控制律的设计提供了理论参考。     

基于变质心控制导弹的运动分析

导弹变质心机动控制通过改变弹头的质心,利用气动配平力矩改变弹头飞行姿态和攻角,从而实现导弹机动控制.本文首次详细推导了基于变质心控制导弹的空间六自由度的动力学方程,并建立了一套完整的仿真系统,针对导弹在垂直平面内运动情况进行仿真,为深入探讨变质心控制弹头的控制机理奠定基础.     

直/气复合控制导弹的自抗扰控制系统设计研究

提出了一种直/气复合控制导弹的姿态控制系统设计方法。建立有轨控式直接力装置和空气舵导弹的短周期运动模型,基于自抗扰控制技术分别设计俯仰、偏航和滚转通道的姿态控制器,给出了俯仰、偏航和滚转通道的控制结构。俯仰(偏航)通道中用俯仰(偏航)角速度环实现对俯仰(偏航)角速度指令的快速跟踪;用攻角(侧滑角)环实现对攻角(侧滑角)指令的快速跟踪;用法向(侧向)过载环实现对过载指令的快速跟踪。滚转通道中采用了有角速度环和角度环的双闭环结构,内外环均采用自抗扰控制器。设计了直接力开启逻辑。用Lyapunov法证明了设计的闭环系统的稳定性。对用该方法设计的某直/气复合控制导弹模型进行数值仿真,结果表明可保证设计的导弹姿态稳定且具良好的过载响应特性。     

变质心飞行器姿态与弹道性能分析

对变质心飞行器的姿态和弹道性能进行了分析.根据变质心控制原理得到飞行过程中总配平攻角表达式.从该表达式中获得影响姿态的滑块参数,并分析了这些参数对总配平攻角的影响;从气动力矩的角度分析滑块参数对滚动角的影响;根据配平状态下所受到的横向过载,分析了滑块参数对弹道机动能力的影响.分析结果表明,滑块质量比对姿态和弹道的影响最大,质量比增大20%攻角和弹道落点偏差分别增加38%和36%;其次是横向偏移量;最后是轴向安放位置.     

线偏差控制的螺旋机动突防与导引一体化设计

导弹机动突防弹道设计与末制导修正能力密切相关,在可用过载与终端角度约束下,提出一种基于线偏差控制的机动突防与导引一体化设计方法。首先,建立了机动突防与导引一体化设计模型;其次,设计了可用过载与终端角度约束的虚拟导引弹道制导律;再次,提出了一种运动过载约束的螺旋机动线偏差指令信号,并设计了相对机动弹道制导律。基于指令滤波和扩张状态观测器分别解决输入受限和干扰估计问题,并基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统稳定性。不同过载约束下的突防仿真结果表明,所设计的一体化方法能兼顾机动突防与精确打击需求,典型场景下对PAC 3拦截弹的单发突防成功率达到96.2%。     

一种基于不对称再入体的制导与控制方法研究

研究一种不对称再入体的再入机动控制方法.不对称再入体气动外形简单,它的升力大小一般不可控,但可通过滚动控制调整升力的方向实现机动飞行.为实现不对称再入体的精确制导,本文研究了一种滚速可调的“滚转制导律”,通过调整制导系数,可以兼顾再入体滚动角速度和落点精度的要求;设计了不对称再人体滚动通道的喷流控制方案,给出了滚动姿态...     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

变锥角SGCMG系统的奇异躲避路径规划策略

将锥体上五个单框架控制力矩陀螺（SGCMG）框架轴与底面的锥角视为姿态机动任务前的调整变量,建立了锥角可调的五棱锥构型SGCMG模型。通过锥角可调SGCMG系统的复杂奇异性分析,推导了陀螺奇异测度对时间的导数与陀螺框架角速度的关系,进而提出考虑奇异躲避的路径规划策略。基于Gauss伪谱法的路径规划结果表明：锥角可调的五棱锥构型SGCMG系统可有效提高特定机动方向的控制能力,显著减少空间站姿态机动所需时间;所提出的考虑奇异躲避的路径规划策略可有效避免陀螺奇异。     

应急救生时返回舱分离后的姿态运动研究

研究了低高度大气层内飞船应急返回时返回舱的姿态运动规律。返回舱分离后以非配平攻角飞行，大分离角速度和大气动力矩作用下其飞行姿态不稳定，必须利用自身的控制发动机和受到的气动力拒使其俯仰机动定位到大头朝前的姿态（呈配平飞行），仿真表明这需要一个较长的衰减振荡过程。一种通过实时调整质心位置以改变气动力矩大小，从而达到减小振幅、改善并缩短其振荡过程的方法被提出，它为宇航员承受过载和启动回收着陆系统创造了有利条件。     

亚轨道飞行器无动力自动着陆的横侧向控制

针对重复使用亚轨道飞行器无动力自动着陆的横侧向控制,偏航通道根据状态反馈和输出反馈理论将“偏航角速度+偏航角”反馈转换成适于工程应用的“偏航角速度+侧向过载”控制方式;滚转通道设计了“滚转角速度+滚转角”控制方式,在此基础上首次推导了BTT控制方式侧偏距回路的稳定性分析原理,并据此理论设计了横侧向回路的控制参数.仿真结果表明所设计的横侧向控制器能够快速消除侧滑角,有效消除侧偏距,并且对平稳风和切变风有较强的鲁棒性.     

基于新型配置方式的自旋弹头变质心控制研究

为了实现对自旋弹头的精确控制,提出了一种新型的质量块控制装置配置方式.该配置方式中2套径向质量块控制装置不随弹头自旋而旋转.建立了自旋弹头的姿态运动方程,并采用滑模控制方法设计了自旋弹头的变质心控制系统,能够保证自旋弹头的俯仰角和偏航角的跟踪误差收敛到零.为了验证自旋弹头的变质心控制系统的性能,举例进行了仿真研究.仿真...     

机动弹头中段突防姿态的搜索算法研究

针对弹道导弹在大气层外的机动突防问题,建立了攻防对抗双方的六自由度动力学和运动学模型;研究拦截弹的导引律,对比例导引加以改进,用卡尔曼滤波估计视线角和方位角的变化率估算敌方的飞行信息;研究了机动弹头的智能规避策略,主要对如何确定机动方向展开研究,基于使EKV过载最大化的原则,提出了一种姿态搜索算法.经仿真验证,该算法提高了规避策略的自适应性和鲁棒性,对于增大脱靶量、提高导弹突防概率效果显著.     

再入弹头大攻角俯仰运动的非线性状态反馈控制

为提高大攻角飞行时具有非线性特性的姿态系统的控制精度,在弹头俯仰运动的非线性数学模型基础上,以弹头攻角为被控制信号,尾翼偏角指令为输入信号,设计了一种全状态反馈非线性姿态控制律,并进行了仿真试验。结果表明,所设计的控制律的稳态精度高、动态响应快。     

带落角约束的固定配平攻角飞行器滚转制导律设计

固定配平攻角飞行器具有外形简单、控制通道少的优点,但其升力大小不可控,为实现精确制导,解决其带终端角度约束制导的问题,提出了一种含虚拟目标的滚转制导律设计方法。建立了含虚拟目标的滚转制导方程,给出了基本导引关系,并证明了该导引关系下设计的制导律能有效对飞行器落点与落角进行控制。同时,给出了虚拟目标详细设计方法,并通过数值仿真验证了该制导律的有效性。仿真结果表明,提出的含虚拟目标的滚转制导律设计方法具有较高的制导精度与落角精度,同时设计方法简单,便于工程应用。     

滚转偏转头导弹动态特性分析

基于复角模型,研究了弹头偏转对于偏转头导弹飞行稳定性和操纵性的影响。依据偏转头导弹的多体特点,建立了包含弹头和弹体动力学特征的滚转偏转头导弹多体动力学模型,通过模型简化,得出了其复角模型。以弹头偏角作为输入,攻角和侧滑角作为输出,得出了滚转偏转头导弹的传递函数。分析传递函数发现,弹头偏转主要影响了导弹传递函数的零点,文中给出了满足系统最小相位的条件公式;当弹体绕纵轴逆时针旋转时（由弹尾向前看）,导弹模型总为最小相位系统;定性分析了气动参数对于导弹运动稳定性的影响,得出弹头偏转运动对于飞行稳定性没有直接影响的结论;动力学仿真表明,弹头与弹体相互作用,导致两者产生相反的角运动。本研究表明,通过合理的选择气动和结构参数,并使导弹飞行过程中绕纵轴逆时针旋转,可以保证偏转头滚转导弹飞行过程中的运动稳定性,并有利于自动驾驶仪的设计。     

红外旋转弹导引头捷联惯导系统的姿态算法研究

对红外旋转弹导引头捷联惯导系统的算法进行了研究。分析了姿态更新的等效旋转矢量法及锥运动环境中的优化算法,理论推导了合理引入角位置传感器数据进行弹体姿态解算的方法,基于捷联惯导导引头坐标转换关系,通过欧拉角坐标转换和四元数坐标转换将导引头光轴系中的框架角速度转换至半弹体系中,由半弹体角速度解算出当前导引头的姿态和位置。试验结果验证证明了方法的正确性,解决了交班时扫描搜索阶段的弹体姿态求解问题,保证了对导弹姿态的有效控制。     

一种模型独立的拟欧拉轴航天器大角度姿态机动

刚性航天器初始姿态捕获 ,要求从任意初始状态机动到角速度要求为零的指定状态。本文基于姿态偏差四元数和瞬时旋转轴偏离欧拉轴程度信息反馈 ,设计了一种拟欧拉轴旋转姿态捕获控制规律。对于刚体的任意初始状态 ,角速度可能不平行于欧拉轴。为减少瞬时旋转轴的偏移程度 ,将初始角速度分解为平行和垂直欧拉轴的两个分量 ,控制器在初始阶段尽快消除垂直角速度分量 ,随后进行拟欧拉旋转机动。最后给出了分析的仿真结果     

具有终端角度约束的固定配平型再入弹头制导方法

针对固定配平型飞行器带终端角度约束的末制导问题,本文基于滚转制导与三维圆周制导,提出一种新颖的制导方法。首先,根据再入弹头与目标的相对几何关系以及终端角度约束,在三维空间内确定出唯一的圆轨迹。然后,通过滚转制导控制升力方向使实际速度方向与期望速度方向重合后,弹头将沿圆轨迹命中目标,并满足终端角度约束。此外,为增强制导方法的鲁棒性,引入干扰观测器对干扰进行实时观测与补偿,并采用变结构控制理论进行制导律设计。仿真结果表明:该制导方法具有较高的命中精度,同时也能满足终端角度约束,并具有较强的鲁棒性。     

基于时间最优的大气层外拦截律设计

针对大气层外拦截提出了一种基于拦截时间最短的拦截律。根据最优控制理论由相对运动参数确定拦截弹时间最优的推进方向,用变结构控制理论调整拦截弹姿态角以跟踪指令姿态角,拦截弹沿体轴方向持续推进直至拦截结束。拦截律要求控制器在较短的时间完成对指令姿态角的跟踪后即停止工作。仿真结果表明：拦截律有很好的拦截精度,可引导拦截弹对目标实施碰撞杀伤。     

高机动旋转导弹鸭式双通道控制研究

对高机动旋转导弹双通道鸭式控制进行了研究。介绍了双通道控制原理,分析了双通道控制的过载能力强,理论上对最低转速无要求,驾驶仪设计复杂度小,利于工程实现等相对单通道控制的优点。讨论了双通道控制考虑两对鸭舵滚转不对称、鸭舵下洗和气动非定常时的气动设计,以及转速设计中零转速、与弹体纵向响应频率和大机动转速变化对控制系统的影响的要点。研究认为高机动旋转导弹采用鸭式双通道控制可行。