制导火箭弹固定鸭式舵机滚转控制技术研究

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电动舵机作为制导弹药弹道修正过程中的关键执行机构,主要完成弹体飞行姿态的控制,呈现出低成本、小型化、高精度的发展趋势。本文围绕中小口径制导火箭弹急需的小型化舵机及其运动控制技术展开了一系列研究,为研究制导火箭弹弹道修正机构提供一种可行的思路与方法。论文的主要工作和研究成果概括如下:研究了一种适合中小口径火箭弹的固定鸭式舵机方案。基于永磁无刷直流电机的智能控制技术和单通道滚转控制原理,详细剖析了固定鸭式舵机的结构组成、工作原理和性能特点;建立了固定鸭式舵机的数学模型及Matlab/Simulink的动态仿真模型,验证了舵机运动控制系统的可行性;提出了固定鸭式舵机的单通道控制策略,分析了采用何种转速切换形式能获得最佳的周期平均控制力和力矩;将舵机产生的控制力和力矩加入火箭弹的6DOF刚体运动方程中,进行了舵机的修正能力仿真,分析了侧向修正力与落点之间的规律,证明了采用固定鸭式舵机进行弹道二维修正的可行性。为实现电动舵机系统的快速、高精度及鲁棒性控制,寻求有效的控制算法对系统受到的内、外部扰动进行抑制,重点研究了一种离线优化算法和一种实时在线优化算法。首先提出了一种基于神经网络和遗传算法极值寻优的PID控制器参数离线优化算法,该算法能够显著提高电动舵机的阶跃响应性能和带宽,实现舵机控制器参数的自动优化,且适用于非线性和复杂的不易于建模的控制系统;另外研究了适合电动舵机运动控制的改进型串级自抗扰控制器,针对常规自抗扰控制器在位置控制精度上的不足,利用参考加速度作为前馈控制量进行了改进。分别对改进的自抗扰控制器的阶跃响应的快速性、正弦轨迹的跟踪能力、系统参数摄动及外部扰动的抑制能力等进行了多方位的研究,并与经典PID控制器的控制性能进行了对比研究,对比仿真和实验的结果表明改进自抗扰控制算法的优越性,最终实现了电动舵机高速高精度轨迹跟踪运动控制。为提高电动舵机系统的可靠性,研究了一种基于有、无位置传感器的双模控制器控制方案,在正常状态下,舵机采用有位置传感器控制模式进行工作,一旦位置传感器不能正常工作或者损坏,控制器会自动平滑切换到无位置传感器控制模式,通过实验验证了有、无位置传感器的双模控制器在电动舵机系统中的可行性,从而提高了舵机系统的控制冗余度。研制了固定鸭式舵机的原理样机并完成了舵机的控制实验;该固定鸭式舵机只需要一个驱动电机和一套控制系统,可以设计成标准的头锥,用于常规弹药的制导化改造。最后探讨了安装固定鸭式舵机的火箭弹的弹道修正系统方案,分析了弹道修正系统组成及工作原理,并对弹载计算机、弹载BD/GPS双模组合导航单元、地磁姿态探测单元等进行了初步的研究。采用数值仿真方法对弹道修正方案进行了仿真分析,主要分析航迹导引方案和比例制导方案的特点,弹载计算机中的导引规律只要能够提供弹道修正的方位角即可,因此研究了一种复合的简易制导规律,仿真证明了修正方案的可行性。
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