偏转弹头导弹动力学建模与仿真研究(英文)

针对采用旋转单通道控制的偏转弹头导弹,研究了其动力学特性。根据弹体的自旋特性,综合考虑弹头与弹体之间的相互作用,利用无根多刚体系统动力学方法在准弹体坐标系中建立了完整的偏转弹头导弹刚体动力学模型,并对其进行了线性化;在此基础上,对偏转弹头导弹通道间的耦合特性、弹头偏转对弹体运动的影响以及弹体动态特性进行了仿真分析。理论分析与仿真结果表明,偏转弹头导弹各通道之间是相互交连耦合的,弹头偏转将导致弹体向相反的方向运动,所建立的偏转弹头导弹动力学模型是正确合理的。     

对动态目标制导的导弹动力学逆系统跟踪控制

结合目标-导弹的运动特性,运用逆系统方法与制导原理,设计了导弹质心运动的Euler动力学系统跟踪控制器。在控制器设计中,综合考虑了目标飞行状态、控制律、制导律、解耦性及抗干扰性这几个重要因素。通过对弹体坐标系下导弹的外力矩实施控制,实现偏转角速度对动态目标的渐近跟踪控制。通过仿真验证,说明了控制器设计的合理性和有效性。     

偏转弹头导弹的动力学建模方法研究

 偏转弹头是一种新的导弹操纵方式,动力学建模是对其研究的基础。偏转弹头导弹可以看成由弹头和弹体组成的多体系统,应用多体建模方法Schiehlen法建立系统的动力学模型。首先把弹头和弹体的运动状态用广义坐标表示,弹头的绝对运动由相对运动原理得到,根据牛顿 欧拉动力学方程分别写出弹头和弹体的质心移动方程和绕质心的转动方程,再运用达朗伯原理的理想约束性质消去方程中包含的约束力,同时方程的数目也减少到与系统的自由度数相同,从而得到维数与系统自由度数相同的二阶标量微分方程组。最后仿真验证模型,并分析得到偏转弹头导弹的一些特点,即偏转弹头导弹具有控制效率高,机动过载大,响应速度快等优点,是一种有效的快速响应控制方式。研究表明对于像偏转弹头导弹这类刚体数目少、但自由度数目较多的多体系统,其动力学建模适合使用Schiehlen法。     

旋转导弹电动舵机控制器超前补偿方法

针对旋转导弹控制系统交联耦合问题,采用执行机构控制器前置动态补偿环节,指令端附加稳态解耦补偿矩阵的方法,削弱了由于执行机构延迟造成的通道间控制耦合。通过对舵机控制系统仿真建模及实验验证,计算出不同转速相角延迟情况,为动态补偿提供依据。基于工程需求,结合实际弹体气动参数解算不同旋转速度下交联耦合角度,在舵系统前端加入动态超前环节,为设计解耦控制器提供依据,并验证可行性。     

BTT导弹地形跟踪/地形回避控制器设计方法

针对倾斜转弯(BTT)导弹地形跟踪/地形回避控制任务,在弹体坐标系下建立了导弹的动力学数学模型,将滚转通道独立解耦,俯仰-偏航通道耦合设计;依据H_∞混合灵敏度理论,设计了俯仰-偏航通道过载控制器和滚转通道滚转角控制器;通过六自由度非线性仿真,验证了设计方法的有效性。     

侧向运动耦合对导弹稳定裕度的影响

各通道间无耦合是工程上导弹控制系统设计的一个基本假设,但随着飞行速度及机动性的提高,导弹各通道间的气动与运动学耦合已不能忽略.以面对称导弹为研究对象,依据小扰动理论,通过建立偏航与滚转通道之间的耦合运动方程,定量分析了通道耦合对导弹控制系统稳定裕度的影响,所得结论可为面对称导弹的工程设计提供参考.     

偏转弹头导弹动力学建模

偏转弹头控制是一种新型的导弹控制方式,精确动力学模型的建立对于导弹性能、稳定性和控制的分析是必不可少的。本文采用多体动力学建模方法中的凯恩(Kane)方法对偏转弹头导弹建立了动力学模型。首先建立合适的坐标系,选取8个变量的速率为广义速率,之后推导了弹身弹头的运动学方程,接着得到广义主动力和广义惯性力,其中将控制弹头偏转的作动力矩视为主动力矩而非理想约束考虑进广义主动力的计算中,最终得到导弹的8个标量动力学方程。推导过程显示凯恩方法比牛顿-欧拉方法推导过程更为简化。利用得到的精确动力学模型进行动态仿真,通过比较研究了采用弹头质心位于弹头偏转铰链中心假设下的简化模型对导弹动态响应的影响,结果显示,在弹头偏转较慢时简化模型会带来较大的动态响应误差。     

防空导弹侧向姿态变结构控制研究

垂直发射的防空导弹在快速转弯时引起大攻角，从而导致弹体气动参数非线性变化和三通道交叉耦合。对非线性和交叉耦合作等效处理后，应用部分状态反馈和变结构控制方法设计了一种侧向姿态变结构控制系统。数字仿真结果表明：变结构控制器在一定程度上，快速性和鲁棒性均优于传统PI控制器。     

考虑舵机动力学的旋转弹自适应解耦控制

为解决由气动交联、控制交联引起的旋转弹俯仰和偏航通道间的耦合问题，提出了一种考虑气动不确定和执行机构动力学的自适应解耦控制方法。以一类鸭舵作用下的双通道控制旋转弹为研究对象，建立了非旋转弹体坐标系下考虑舵机动态响应过程以及气动参数不确定性的线性化动力学模型。利用模型参考自适应控制方法作为基础框架，将跟踪误差积分扩维至被控系统以改善闭环系统的跟踪性能。将舵机输入与输出之间的误差信号反馈到参考模型中实现俯仰和偏航通道之间的解耦。通过理论分析和数值仿真，验证了所提自适应解耦控制方法的有效性。仿真结果表明，设计的自适应解耦控制器能够保证闭环系统稳定并且实现俯仰和偏航通道之间的解耦。     

柔性扑翼气动结构耦合特性数值研究

微型扑翼体积小、重量轻,其柔性变形对气动特性有显著的影响。通过求解雷诺平均N-S方程(ReynoldsAveraged Navier-Stokes,RANS)和结构动力学方程,对微型柔性扑翼飞行器的气动结构耦合特性进行了数值模拟研究。针对微型扑翼的大幅运动,发展了适用于扑翼的气动结构耦合数值计算方法,研究了微型扑翼的气动结构耦合特性。通过求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程得到微型扑翼的非定常气动特性;利用哈密顿原理(Hamilton Principle)推导了扑翼的结构动力学方程,采用结构有限元方法对该动力学方程进行离散并求解,得到扑翼的动态结构特性;采用松耦合方法进行迭代。计算结果与风洞实验结果相比吻合良好,验证了所发展方法的有效性。在此基础上研究了惯性力和关键运动参数对柔性扑翼气动及结构特性的影响规律,有助于比较详细、全面地了解微型扑翼的气动机理,为柔性扑翼的设计提供了参考依据。     

不同攻角条件下偏转头弹箭流场与气动特性

基于DES（detached eddy simulation,分离涡模拟）方法及AUSM（advection upstream splitting method,对流迎风分裂方法）格式,对不同偏角的偏转头弹箭在非零攻角下的超声速流场和气动特性进行了数值模拟.结果表明:在非零攻角情况下,与常规弹箭流场相比,偏转头弹箭头部迎风面激波更强;而当有效入射角相等时,即使弹箭的攻角不一样,其头部流场结构仍相同,且尾翼流场基本不受头部偏角影响.另外,由气动力系数变化曲线可知,偏转头弹箭具有良好的纵向静稳定性,且升力系数随攻角的增长率大于阻力系数,即升阻比大于常规弹箭,因此适当增大攻角可以提高偏转头弹箭的气动特性.      

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍;飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

Nonlinear autopilot for high maneuverability of bank-to-turnmissiles

This paper presents a novel approach to autopilot design for highly maneuvering bank-to-turn (BTT) missiles. In the design and performance analysis of the proposed nonlinear autopilot, all nonlinearities of missile dynamics including the coupling between roll, yaw, and pitch channels as well as the asymmetric structure of missile body are taken into full account. It is shown that through a kind of feedback linearization technique along with a singular perturbation-like technique, the input/output (I/O) dynamic characteristics of pitch, yaw, and roll channels are made linear, decoupled, and independent of flight conditions such as air density and missile velocity. In particular, the proposed autopilot controllers can provide excellent set-point tracking performance for roll and pitch channels while keeping the side-slip angle negligible. The generality and practicality of our approach are demonstrated through mathematical analysis and various simulation results using an ILAAT missile     

Unstructured Euler solutions for missile aerodynamics

The purpose of this paper is to validate an unstructured 3D Euler flow solver, USER3D, against the experimental data and to compare it with a classical, structured, Euler solver, FLU3M of ONERA, on two different missile geometries at a Mach number of 2 and at various angles of attack up to 20 ° . The first geometry is a conventional missile with an ogive nose, a cylindrical body and four straight tail fins. The second geometry is a unconventional missile with a lenticular body and no tail fins. The present results are found to be in good agreement with these available results and the discrepancies observed between them are explained in detail. The present unstructured Euler code has proved to be accurate, fast and reliable for the aerodynamic design of conventional and unconventional missiles.     

基于PID控制的垂直发射控制技术

基于对PID控制的垂直发射控制技术的研究,针对导弹的垂直发射问题,文章阐述了：①建立了气动舵,推力矢量复合控制的模型;②提出了一种能够实现垂直发射快速转弯的程序弹道指令设计方法,并设计了导弹3个通道的PID控制器;③通过对弹道进行6DOF仿真分析,验证了指令和控制器设计的正确性和有效性。     

基于微分几何方法的大迎角导弹解耦控制

导弹在大迎角飞行时，非线性及耦合严重，而且大迎角本身引起的非线性和耦合也必须加以考虑。采用微分几何方法，通过在控制系统中人为地加入耦合信息，以抵消弹体运动的交叉耦合，设计大迎角导弹解耦控制系统。并对结果进行了仿真验证，证实所设计的控制系统可以很好地控制导弹的大迎角飞行。     

Nonlinear Estimation Via Kalman Filtering

The extended Kalman-Bucy filtering algorithm is applied to the problem of estimating the system parameters of a single-channel missile attitude control system. In particular, noisy observations of body angular rate, normal acceleration, and control surface deflec tion are used in the algorithm to obtain estimates of body angular rate, angle of attack, control surface deflection, air density, and missile velocity. Computational results obtained for this problem are presented. These results are evaluated to determine the applicapility of this estimator as a part of an adaptive control scheme. In addition, a general approach to the formulation of practical nonlinear estimation problems is suggested.