摘 要:质量矩控制可以避免飞行器在超高马赫数飞行时的舵面气动加热问题,本文建立了质量矩拦截弹数学模型,将其简化为一个耦合的非线性动力学系统.应用双时标分解的方法,提出将拦截弹动力学分离为快变状态动力学和慢变状态动力学,在快变和慢变子系统中应用滑模控制理论设计拦截弹飞行控制系统,采用模糊逻辑算法抑制系统的抖振现象,同时也可以抑制气动参数摄动而引起的控制系统性能的下降.仿真结果表明系统性能指标满足设计要求,只需微调滑块位置,即可实现拦截弹的飞行控制,提高了拦截弹的机动性和敏捷性.
关键词:质量矩拦截弹;动态逆;时标分解;滑模控制;模糊逻辑算法
传统的大气层内飞行的导弹一般采用气动舵面控制,但是在高空,尤其是在30 km以上的大气层外,由于空气密度低,造成动压很低,在导弹作
战空域的远界,由于导弹的速度降低,也造成动压较低,这引起导弹动态特性下降,机动能力弱.导弹机动能力弱造成导弹脱靶量明显增加,不能满
足精确制导控制的要求,这就要求开辟新的技术途径.为了提高防空导弹的机动性、敏捷性以及制导控制精度,美国于2000年提出了一种全新的控
制方法-质量矩控制,从有关文献可知,俄罗斯和美国在上个世纪九十年代都对变质心控制进行了研究,但是,由于弹头机动控制技术在国外十分保
密,公开的文献资料非常少,在国内有关的研究就更少了,仅见的研究都集中在超高马赫数飞行的再入弹头上[1, 2].采用三通道稳定控制方式的质量矩拦截弹,各个通道间存在较强的气动、控制、惯性和动力学耦合,使拦截弹成为一个同时具有非线性和模型不确定性的多变量系统,传统的小扰动线性化的设计方法已难以适用[3],因此,本文提出采用动态逆方法实现拦截弹系统的反馈线性化.由于逆系统方法依赖于被控对象的精确数学模型,所设计的控制系统鲁棒性差, Sun[4]等人通过建立机器人动力学的T-S模糊模型,设计了基于神经网络的动态逆控制器,同时,又针对机
器人动力学的离散模型,设计了基于神经网络动态逆的变结构控制器[5],提高了机器人控制系统的鲁棒性.张友安[6]等人将动态逆设计和基于Lyapunov稳定性的鲁棒控制方法结合起来,用于空空导弹控制系统设计中,可以有效地解决动态逆设计鲁棒性较差的问题.本文以所建立的质量矩拦截弹动力学模型为基础,经过合理的工程简化,得到一个耦合的非线性动力学模型.提出采用双时标分解的方法,将拦截弹动力学模型分为快变动力学和慢变动力学,应用滑模控制分别进行非线性动态逆设计,在系统设计时,提出采用模糊逻辑算法,不但可以有效的抑制系统的抖振现象,而且也能提高控制系统的鲁棒性.仿真结果表明,质量矩拦截弹飞行控制系统不但具有很好的鲁棒性,而且满足所有给定的性能指标要求.自由刚体在空间中的运动可分为质心的平动和绕质心的转动,可以利用质心运动定理确定空间运动规律,用动量矩定理来确定转动运动的3个自由度的变化规律.
由于质量矩拦截弹的控制性能必须通过一个轴向滑块和两个径向滑块在导轨上的往复运动来实现,而滑块伺服机构的特性将直接影响系统控制效果的好坏,与Seetharama[7]等人和Chaw[8]等人在导弹控制中考虑舵系统动态特性的研究类似,在拦截弹控制系统设计中,必须考虑滑块伺服机构的动态特性.
由于三滑块质量矩拦截弹采用了三通道稳定控制方式,所推导出的拦截弹数学模型过于复杂经过合理的简化,得到的拦截弹动力学模型仍是一个非线性系统,这给控制系统设计带来了难度提出采用时标分解理论,将拦截弹的动力学模型分为快变动力学和慢变动力学,针对两个动力学子系统,设计了基于动态逆的模糊滑模飞行控制系统,这一设计不但可以有效的抑制系统抖振,而且能够提高动态逆系统的鲁棒性.仿真表明所设计的拦截弹飞行控制系统具有很好的动态特性和较强的鲁棒性.由于质量矩控制的机理较为复杂国内外相关的研究工作起步较晚,公开的资料匮乏,本文只是在拦截弹飞行控制系统设计方面作了有益的探讨,从仿真结果来看,这一方法是可行的.
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