制导炮弹可控滚转执行机构关键技术研究

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1、制导炮弹可控滚转执行机构关键技术研究张皎2015年6月中图分类号：TJ765.2UDC分类号：623制导炮弹可控滚转执行机构关键技术研究作者姓名张皎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ResearchonControlMechanismofaTypeGuidedProjectileEquippedwithControllable-rollingActuatorCandidateName：ZhangJiaoSchoolor

2、Department:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.YaoXiaoxianChair,ThesisCommittee：Prof.TangShengJingDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重

3、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，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：I北京理工大学博士学位论文摘要舰炮弹药制导化是从根本上提高舰炮命中精度的途径之一,特别是作为防空弹药时，能够大幅度提高舰炮的反导能力。为了提高舰炮制导化弹药的修正能力和舵机的控制效率，本文

4、研究了一种鸭式布局的舵机可控滚转的双旋弹体结构设计方案，围绕该类炮弹研制过程中的相关理论和关键技术，对其飞行弹道特性和可控滚转舵机系统控制进行了较为系统地研究。研究了应用可控滚转电动执行机构的制导炮弹系统总体方案，在详细分析弹体结构与外形、制导与控制系统和可控滚转舵机系统控制原理的基础上，计算和分析了其对空近程反导作战时的修正能力。根据鸭式布局低旋尾翼炮弹的气动特性和运动特点，通过引入舵体坐标系，采用Newton-Euler法系统地建立了鸭式布局双旋弹体7DOF飞行动力学模型，并给出作用在舵机舱和弹体上的力和力矩的具体表达式。采用

5、气动估算软件MissileDatcom对制导炮弹进行气动估算与分析；计算并分析了不同攻角、不同舵偏角条件下主要气动力系数的变化情况，结合可控滚转舵机的风洞数据，计算舵翼的铰链力矩，为后续的舵机系统设计提供参考依据。结合气动力数据和弹体运动学模型，进行了无控和有控条件下的弹道仿真，讨论了不同发射参数对弹道特性的影响，分析了舵机控制误差引起的弹道散布，为舵机系统相关性能指标的提出提供一定的理论依据。提出了应用于低旋制导炮弹的可控滚转电动执行机构的设计方法及流程。首先确定了可控滚转电动执行机构的总体方案，包括传动方案、反馈测量系统以及系

6、统传动比的参数优化设计，系统地研究了间接测量时系统传动比的选取和舵偏角计算的唯一性问题，结果表明传动比的选取决定了舵偏角计算的唯一性。基于ANSYS有限元软件和ADAMS多体动力学软件对可控滚转舵机进行动态特性分析，适当增大主转环与舵机本体间的阻尼以及增大电机输出轴的刚度可以改变系统的谐振频率，改善系统的动态性能。在此基础上建立了系统动力学模型，并根据不同的工况条件下对模型进行了验证。针对可控滚转舵机的特殊的工作模式，提出了可控滚转舵机系统在方位角上的追踪路径的三种追踪策略，并归纳出各种策略的追踪方法和特点。进一步考虑了系统的II

7、北京理工大学博士学位论文非线性、时变性和复杂性等特性，将弹体转速、外部气动力干扰视为不确定项，对可控滚转电动执行机构多输入多输出欠驱动非线性模型进行处理，基于全状态精确反馈线性化方法，获得了完全解耦的控制模型。考虑系统内部参数摄动及外部扰动对系统跟踪性能的影响，提出基于高阶泰勒逼近的扩张状态观测器对系统综合扰动进行估计，实现对控制器的补偿及干扰抑制。基于Lyapunov理论详细分析了观测器以及闭环系统的有限时间稳定性，并给出观测误差及跟踪误差的上界。仿真结果验证了控制器—高阶扩张观测器综合设计的鲁棒性，实现了对滚转方位角及等效舵偏

8、角的稳定跟踪，并有效的抑制了系统的参数摄动及外部干扰。设计了满足上弹搭载试验要求的小型化、集成化可控滚转电动执行机构数字控制器。针对系统调试过程中遇到的相关问题，给出了系统舵偏角的计算方法与流程；针对舵机舱方位角测量传感器的特殊性，提出了一种方位角