大气层内拦截弹直接侧向力/气动力混合控制系统设计

研究采用直接侧向力/气动力复合控制方案的大气层内拦截导弹的自动驾驶仪设计问题。考虑直接侧向力的离散工作特性,针对系统中同时存在连续控制量,即舵偏角,和离散控制量,即脉冲发动机反作用力的特点,采取混合控制系统设计方法,先完成舵控连续系统设计,然后完成直接侧向力控制采样控制系统设计。对每一步设计工作进行了稳定性分析,并利用数值仿真验证了设计结果的有效性。     

末段直接力姿态控制拦截弹的一种侧向稳定回路设计

针对采用侧向直接力姿态控制的拦截弹,设计了一种工程上比较可行的侧向直接力姿态控制方式的自动驾驶仪.首先,将侧向直接力发动机组看作一个离散的"鸭式"舵,进而对弹体进行线性化,得到弹体的传递函数;然后,在传统三回路增稳自动驾驶仪的基础上通过增加一个前馈通道的方式来设计直接力侧向稳定回路;最后,通过仿真验证了该种自动驾驶仪能够显著提高导弹的快速性.     

防空导弹精确制导控制研究

基于主动雷达导引头技术和直接侧向力发动机控制技术,对防空导弹精确制导控制进行了研究.分析了主动雷达导引头给出预测脱靶量和脱靶方位信息,设计了直接侧向力控制方案,对导弹飞行速度、飞行高度、飞行姿态等因素对直接侧向力作用效果的影响进行了分析,研究表明,该方法能够有效减小脱靶量,提高防空导弹制导精度.     

直/气复合控制导弹的模型预测和自抗扰姿态控制设计

针对直/气复合控制导弹姿态控制系统的特点,提出将非线性模型预测方法与自抗扰控制方法结合的姿态控制策略,设计姿控脉冲发动机阵列点火逻辑,在分析直接侧向力有限约束集的基础上提出直/气复合控制导弹姿态控制系统设计方法。仿真结果表明,所给出的复合控制策略可以有效抑制外部干扰和模型不确定性的影响,显著加快拦截导弹的过载响应速度。     

小型固体运载器起飞段姿态控制方法研究

针对控制系统,采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展了起飞段姿态控制方法研究。给出了在低马赫数条件下侧喷流发动机的力放大因子和栅格舵的控制力矩,建立了运载器姿态控制模型。根据侧喷流和栅格舵的特点,设计了PID控制器与智能开关控制器相结合的新型控制器,运用神经网络算法实现了开关控制器参数的在线选择。仿真结果表明,所设计的控制器满足控制精度、稳定度和鲁棒性的要求,算法简便,具有工程可实现性,以侧喷流发动机和栅格舵为执行机构的控制系统能满足运载火箭起飞段姿态控制要求,为陆基或空射小型固体运载火箭姿态控制方法提供了一种新思路。     

垂直发射旋转导弹空中转弯控制技术研究

对垂直发射舰载末端防御旋转导弹的空中转弯控制技术进行了研究。采用侧向力控制,结合脉冲发动机与弹体高速旋转特性设计了一种转弯控制方式,利用弹体旋转调整脉冲发动机喷射方向,实现导弹在特定方向的快速低头,降低俯仰角,并依靠反方向回喷抑制俯仰角速度,使导弹快速稳定。通过调节控制参数(脉冲发动机数量)可控制导弹转弯结束后的俯仰到位角,有效打击不同态势的来袭目标,脉冲发动机数量越多,控制参数的取值范围就越大;可用俯仰到位角越多,到位角精度越高。基于RAM Block 2导弹进行近界弹道仿真,结果表明:采用提出的转弯控制方式,导弹的转弯速度快,能保证近界和低空作战性能,在工程中有较好的应用前景。     

双通道控制旋转导弹舵面控制律研究

为解决导弹总体设计中亚跨速稳定性和超声速机动性不能兼顾的问题,对双通道控制旋转导弹舵面控制律进行了研究。分析了正弦、Bang-Bang、梯形和饱和正弦等控制律的原理与特点,给出了各自的等效舵偏角及其相应等效控制力的数学模型。采用基于两对舵面配合控制方式,给出了上述4种控制律的统一表示形式。讨论了两对舵配合控制方式的影响及工程可实现性,发现两对舵面相位差固定时,其等效控制力的方向由舵面1的相位决定,大小由其最大舵面偏角和特征函数决定,在工程中易实现;两对舵面相位差可变时,等效控制力的大小和方向需由控制舵1的相位和两对舵的相位差共同决定,考虑的变量更多,设计难度大,舵机系统复杂,难以实现小型化设计。仿真结果表明:采用基于两对舵面配合控制的旋转弹双通道控制方式,通过改变导弹舵面控制律,能有效提高导弹的操纵效率,在保证弹体静稳定性的同时增强导弹的机动能力,有效解决了传统旋转导弹总体设计中两者难以兼顾的难题。     

基于有限时间广义H_2范数的直接侧向力启控时间分析

采用直接侧向力与气动力复合控制技术可以显著改善导弹末制导系统性能,而确定直接侧向力启控时间是复合控制技术的关键问题。首先给出了复合控制导弹末制导系统的数学描述,然后基于有限时间广义H2范数,分析了直接侧向力启控时间与零效脱靶量、目标机动、导引头量测噪声的内在关系,最后根据零效脱靶量随启控剩余时间的变化情况,指出存在一个启控剩余时间临界值,可以为直接侧向力启控时间的确定提供重要依据。     

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。     

导弹直接侧向力与气动力复合控制设计与实现

针对带有姿控式直接侧向力/气动力复合控制系统导弹的控制律设计问题,建立了俯仰平面内姿态控制系统的数学模型,应用非线性系统理论对模型进行了分析,在此基础上建立了进行控制系统设计的简化模型。基于滑模变结构控制理论进行了复合控制律设计,并分别考虑气动力控制和直接侧向力控制的特点对所设计的控制律进行了实现。所设计的复合控制系统在进行快速攻角指令跟踪的同时,可以有效节省姿控发动机的使用数量。仿真结果说明了所提出方法的有效性。
     

基于有限时间稳定和Backstepping的直接力/气动力复合控制方法

针对采用直接力/气动力复合控制的导弹,研究其控制系统的设计问题。将直接力引入控制系统,在提高系统响应速度的同时,也使控制系统的结构复杂化。如何合理的设计控制方法,使得直接力和气动力能够协调工作、优势互补成为一个亟待解决的问题。针对气动舵控制回路,基于有限时间稳定理论,求解最短时间控制问题,得到一个具有良好特性的受控弹体;针对此受控弹体,基于Backstepping方法,研究直接力控制律,加快系统的响应速度。在整个控制系统设计过程中,通过“隐攻角”反馈对弹体进行增稳,进一步改善系统的响应品质,使控制系统达到“稳、准、快”的控制效果。仿真结果表明,复合控制系统的响应过程快速且平稳,验证了控制方法的有效性。     

考虑复合控制系统动态特性的前向拦截制导律

为满足临近空间拦截高速大机动目标的实际需求,研究了考虑直接力/气动力复合控制动态特性的前向拦截制导律设计方法。在考虑连续气动力和离散直接力特点的基础上,给出了一种在气动舵控制基础上设计连续直接力、然后通过冲量等效法进行离散化的直接力设计方法,避免了复杂的控制分配问题。根据二维前向拦截导引运动学模型和拦截导弹动力学模型,利用时间尺度分离,将拦截导弹和目标的质点运动学与加速度慢变子系统构成的动态系统,看成慢变子系统,设计了俯仰角速度指令;将俯仰角速度动态子系统看成快变子系统,通过对俯仰角速度指令的跟踪控制设计得到考虑复合控制系统动态特性的前向拦截导引律。仿真结果校验了本文方法的正确性和有效性。     

大气层内拦截弹脉冲发动机消耗量离线计算

采用姿控式直接侧向力/气动力复合控制方式可以显著提高大气层内拦截弹的机动能力,但由于产生侧向推力的脉冲发动机数量有限,必须考虑减少使用数量的问题.除了最优化脉冲发动机点火分配逻辑之外,充分利用气动力也是一种可能的方案.本文基于弹体运动的线性化模型,探讨了在给定攻角响应时间的情况下,最大限度地利用气动力能否节省脉冲发动机点火数目,并对攻角响应所需用的脉冲发动机数量做了离线计算,给出了计算公式.     

临近空间拦截弹的非奇异终端滑模控制

针对临近空间直接力/气动力复合控制拦截弹的抗干扰控制问题,提出了一种基于有限时间干扰观测器(FTDO)的非奇异终端滑模(NTSM)复合跟踪控制策略。首先,设计FTDO估计系统的不匹配干扰;在此基础上,设计基于FTDO的NTSM复合控制律,获取期望的控制力矩。接着,考虑到作为执行机构的气动舵和反作用喷气装置存在冗余性,进一步提出了一种动态控制分配算法实现期望控制指令到执行机构的分配,获得良好的控制分配精度和较小的执行机构能耗。最后,仿真结果验证了所设计复合控制系统的有效性。     

基于自适应动态逆的高超声速飞行器姿态复合控制

考虑高超声速飞行器再入过程中存在气动舵低效的问题,提出了质量矩/气动舵复合控制方式,研究了这两类执行机构的复合控制分配问题,并针对高超声速飞行器强非线性和不确定性的对象特性,基于神经网络方法设计了自适应动态逆姿态控制系统。首先给出了质量块配置原则以及质量矩/气动舵复合控制模型;其次,为获得良好的控制分配精度并保证较小的执行机构能耗,基于二次规划方法设计了质量矩/气动舵复合控制分配策略;再次,利用神经网络权值的自适应调整来逼近系统中存在的不确定性,补偿动态逆误差,设计了基于神经网络的自适应动态逆控制器。最后,通过仿真验证了文中控制分配策略和自适应动态逆方法的有效性。     

具有直接侧向力的拦截导弹复合制导控制设计

针对大气层内直接侧向力与气动力复合控制拦截导弹,提出了一种基于输出稳定的复合制导控制策略。该策略同时考虑了末制导精度和弹体动态响应,首先根据末制导系统数学模型选择零效脱靶量和弹体角加速度作为系统评价输出,然后计算维持末制导系统评价输出在零点所需要的控制量,最后在考虑不确定性和外加干扰的情况下,扩展附加切换控制,使得系统评价输出能够在有限时间内到达零点并确保闭环系统稳定。仿真结果表明,利用所提复合制导控制策略,在制导末段拦截高机动目标时达到了很高精度。     

直接侧向力/气动力复合控制系统的特征参数

为考察在大气层内拦截弹上应用直接侧向力与气动力复合控制同应用纯气动力控制的本质区别,依据连续系统跟踪性能极限的研究成果,提出以复合控制对象的非最小相位零点作为描述复合控制系统性能的特征参数。气动力回路控制对象含有一个离虚轴较近的非最小相位零点;而通过合理设计气动力控制器,直接侧向力控制对象只包含一个离虚轴较远的非最小相位零点,复合控制系统的跟踪性能可望比纯气动力的更好。设计实例对此进行了分析,揭示了非最小相位零点在控制器设计中的重要作用。