旋转弹飞行控制方法研究

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在现代化、信息化战争中,低成本制导弹药可以用于打击敌方众多价值不足的广分布目标,在作战武器体系中发挥重要作用,然而低成本与高精度的兼顾性要求对制导弹药提出了新的挑战。旋转弹以其制造成本低、飞行稳定性强等优势迅速脱颖而出,然而在旋转弹的自旋机动过程中存在较强的交联耦合、运动耦合和控制耦合,对旋转弹飞行稳定性产生了较为严重的影响,因此亟需开展飞行控制方法研究。本文首先基于旋转弹特殊的运动特性和控制机理构建了旋转弹运动数学模型。针对旋转弹特殊的运动特性构建了相关坐标系,并在相关坐标系中推导了旋转弹质心运动方程和绕质心运动方程;分析了旋转弹单通道执行机构的控制结构,建立了均态与瞬态形式的气动力、气动力矩模型,最后推导了旋转弹均态形式与瞬态形式运动数学模型。然后开展了基于复合解耦的旋转弹周期平均PID控制设计。从旋转弹均态数学模型出发,基于克莱姆法则推导了耦合传递函数,考虑到旋转弹特殊的控制机理,提出一种周期平均PID控制理论,在考虑周期平均控制作用条件下进行了控制器参数设计;开展旋转弹通道间耦合性分析,并基于复合解耦方法实现了控制通道间的解耦设计,开展双通道控制仿真和非线性仿真,对方案的可行性进行了验证。最后针对复杂环境影响开展了旋转弹滑模控制设计。考虑到旋转弹飞行过程中存在较强的不确定扰动,同时气动存在大不确定偏差,设计一种针对非匹配扰动的非线性滑模控制器。设计滑模观测器在线观测包含外部扰动、气动偏差和耦合影响在内的复合干扰进行自适应补偿,同时基于旋转弹运动特性和控制要求设计非线性滑模控制器,实现强干扰、大不确定条件下的旋转弹稳定控制。通过双通道控制仿真,对比两种控制方法的控制精度和抗扰特性,并通过蒙特卡罗仿真验证方案的工程实践意义。
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