双旋弹飞行特性与制导控制方法研究

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1、双旋弹飞行特性与制导控制方法研究朱大林2015年1月中图分类号：TJ413.6UDC分类号：623.4双旋弹飞行特性与制导控制方法研究作者姓名朱大林学院名称宇航学院指导教师唐胜景教授答辩委员会主席刘莉教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonFlightCharacteristics,Guidance,andControlforaDual-spinProjectileCandidateName：DalinZhuSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacu

2、ltyMentor:Prof.ShengjingTangChair,ThesisCommittee：Prof.LiLiuDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015北京理工大学博士学位论文摘要为解决旋转稳定弹高速旋转所带来的二维弹道修正困难，本文研究了一种鸭式布局的双旋弹结构设计方案。围绕该双旋弹的二维弹道修正相关理论和关键技术

3、，本文系统地开展了双旋弹的动力学建模和稳定性分析、弹道探测与重构以及制导和控制等方面的研究。通过引入固连平面坐标系，采用Newton-Euler法比较系统地建立了双旋弹7DOF运动方程的一般形式，推导了在弹体质量分布轴对称情况下的7DOF运动方程的简化形式，给出了作用在双旋弹上的力和力矩的具体表达式，并进行了飞行仿真分析。考虑俯仰角的可测影响，采用弹丸的线性化理论和Murphy的复变量方法建立了双旋弹的复攻角运动方程，并基于Hurwitz稳定性准则建立了鸭式布局双旋弹的飞行稳定性判据，进一步推导了配平攻角需要满足的稳定边界条件。该改进的稳定性判据考虑了鸭舵的影响，进一步发展了传统旋转

4、弹的稳定性理论，可以解释双旋弹头部有侧向控制力作用时可能产生的飞行不稳定现象，并在一定条件下可以转化为传统旋转弹的稳定性判据形式。将该稳定性判据运用于155mm双旋弹的飞行稳定性分析时，获得的结论与仿真结果能够很好地吻合，进一步验证了该稳定性判据的有效性。提出了适合双旋弹弹道探测的GPS/MIMU组合测量方案，GPS/MIMU采用位置―速度松耦合结构，并利用误差反馈方式对MIMU惯性测量的相应参数进行校正。针对双旋弹短时间、短距离导航的特点，在地面发射坐标系下建立了MIMU的力学编排方程和误差方程，并建立了组合测量的滤波模型，考虑模型的非线性，选用UKF算法作为滤波工具。弹道重构仿真

5、表明，该组合测量系统可以实时、准确地提供双旋弹的飞行参数，即使在GPS存在信号中断的情况下仍具有比较满意的测量精度。针对双旋弹制导指令变频率正弦调制的可靠跟踪问题，基于广义渐近调节概念设计了鸭舵跟踪伺服控制器，并采用控制指令预补偿方法改善了纵向和侧向运动耦合对修正效果的影响。文中建立了广义渐近调节问题可解性的LMI条件，给出了线性时不变控制器的综合过程，并基于稳定性准则采用平衡截断法进行控制器的降阶。仿真结果表明，所设计的降阶控制器对于频率和幅值均会发生变化的谐波指令具有较高的跟踪精度和较快的响应速度，对负载力矩的干扰也具有较强的抑制作用，且易于工程实现。文中采用的控制指令预补偿的解

6、耦方法虽然不能实现纵向和侧向运动耦合的完全I北京理工大学博士学位论文动态解耦，但从工程应用角度来看，该方法简单可行，可以进一步改善双旋弹的弹道修正效果。最后，深入分析了双旋弹的制导原理，并研究了弹道跟踪（TT）和修正比例导航（MPN）两种制导方法的具体实现过程。根据双旋弹主导法向力来源的不同，将其控制质心运动的方式分为直接控制和间接控制两种方式，并提出采用机动因子的正负号进行判断的方法。为了评价TT和MPN两种制导方法的制导性能，将其应用于155mm双旋弹的二维弹道修正。通过MonteCarlo打靶仿真结果可知，在初始扰动和随机风的干扰下，TT和MPN制导可显著减小弹丸的无控散布，且

7、MPN相对优于TT制导方法，但TT制导的准确度要高些。测量误差的存在均会使两种制导方法的CEP有所增大，但相对于无控飞行情况，TT和MPN制导仍可获得比较好的修正效果。关键词：双旋弹二维弹道修正飞行稳定性弹道重构GPS/MIMU组合测量伺服控制渐近调节线性矩阵不等式II北京理工大学博士学位论文AbstractInordertosolvetheproblemsabouttwo-dimensionaltrajectorycorrectioncausedbyth