可控滚转二维弹道修正机构的研究

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1、可控滚转二维弹道修正机构的研究张冬旭2015年6月中图分类号：TJ765.2UDC分类号：623可控滚转二维弹道修正机构的研究作者姓名张冬旭学院名称宇航学院指导教师姚晓先教授答辩委员会主席唐胜景教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchontheRollingControlledTwo-dimensionalTrajectoryCorrectionMechanismCandidateName：ZhangDongxuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacul

2、tyMentor:Prof.YaoXiaoxianChair,ThesisCommittee：Prof.TangShengJingDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明研究成果声明研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，

3、学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要二维弹道修正弹是常规制导弹药中的一种，其能够在射程和方向上对飞行弹道进行若干次修正，实现对目标较为精确的打击。弹道修正机构是弹道修正弹上的关键部件，其属于二维修正弹的执行机构。修正机构性能的好坏决定了弹道修正能力，影响到弹药的打击精度。弹道修正方法有两类：分别为气动力修正和直接力修正，其对应的典型执行机构分别为空气舵机和射流元件。

4、对于尾翼稳定的低速旋转弹，舵机和射流元件均可实现弹道的二维修正。但是对于高速旋转稳定弹，常规的舵机和射流元件由于响应速度慢则无法应用在旋转稳定弹上作为其弹道修正机构。为了实现高速旋转稳定弹的二维弹道修正，有必要研制一种新型弹道修正机构。本文以原有的130mm制式弹为基础，研制了一种可控滚转的固定舵片式二维弹道修正机构。应用此种修正机构后，改进的130mm高速旋转稳定弹将具备二维弹道修正能力。首先，设计了二维弹道修正机构的总体方案。修正机构的内部核心是一组以磁场作为能量转换媒介的机电能量转换元件，其由镶嵌在外壳体内部的永磁体和固定在弹体内轴上的线圈绕组两大部分组成。修正机构可工作在发电

5、机和电动机两种工作模式下，通过电磁转矩改变外壳体相对惯性空间的运动状态。文中定义了修正机构的外部坐标系，相继设计了基于脉冲比较的外壳体滚转角直接控制方法和基于转速差异的周期平均控制力生成方法，解决了弹道中后期和初期的控制力空间定向问题。并分析了绕组磁势和永磁体磁通密度的产生机理以及两组磁场间的相互作用关系，得到电磁转矩的计算方法，对其内部磁场以及外部结构进行了仿真计算。其次，定义了修正机构的内部坐标系，根据机电能量的转换与耦合原理建立了修正机构的数学模型。并根据磁势等效原则和坐标变换理论，对修正机构的数学模型进行了逐步简化。在数学模型的简化过程中，得出了修正机构稳定运行的基本条件。在

6、稳定运行基本条件的约束下，为了实现修正机构内部两组磁场的解耦，文中将空间矢量控制技术应用到了修正机构的驱动策略中，实现了电动机模式下电磁转矩的解耦控制。并分析了修正机构的基本动态过程。再次，从修正机构自身控制的灵活性、对弹体旋转稳定性的影响等方面分别对比了电动机工作模式和发电机工作模式的优点和局限性，并根据全弹道过程中弹丸运动参数的变化情况，提出了对修正机构的分时分段控制思想。随后进一步简化了发电机和电动机工作模式下的数学模型，得到了不同负载电阻下发电机的机械特性曲线。并I北京理工大学博士学位论文利用滑模变结构控制技术，分别针对发电机工作模式和电动机工作模式设计了自适应积分滑模控制器

7、和模糊滑模控制器，通过数值仿真，证明了滑模变结构控制器对修正机构自身参数的摄动以及外部力矩的扰动具有很强的鲁棒性。为了提高修正机构的可靠性，降低修正机构的成本，本文对修正机构应用了无传感器控制技术。首先设计了常规滑模观测器，通过重构绕组电流估计绕组反电动势进而获得外壳体和弹体内轴间的相对电角度。针对常规滑模观测器因抖振而引起的观测角度滞后，精度不高的问题，本文进一步设计了扩展滑模观测器，通过直接观测绕组磁链获取相对电角度。由于扩展滑模观测器自身对抖动具有低