第7章旋转弹解耦控制方法案例.ppt

Beijing Institute of Technology 旋转弹解耦控制方法 熊芬芬 fenfenx@bit.edu.cn 本专题内容 旋转体制的好/坏处 旋转带来的耦合因素分析 解耦控制方法介绍 * 应用范围 独特优势 应用举例 制导炮弹和制导火箭弹 有效降低气动不对称、结构不对称、发动机推力偏心等对弹体落点散布的影响。 俄罗斯的“龙卷风”火箭炮系统以及我国的多管火箭炮系统A-100、PHL03等。 战术导弹 实现导弹的单通道控制，简化控制系统组成、利于弹体结构布局和小型化设计、降低生产成本。 美国的“毒刺”地空导弹、“拉姆”舰空导弹以及前苏联的AT-X-14反坦克导弹。 再入弹头 避免气动加热的单面烧蚀，从而减小不对称因素对打击精度的影响。 美国的“丘比特”、“民兵-3”、“和平保卫者”。 高空地空导弹 有利于脉冲发动机等直接力控制装置的实施。 美国的“爱国者-3”地空导弹。 采用旋转体制的飞行器具有诸多独特优势，广泛应用于常规兵器、制导兵器、战术导弹和再入飞行器等。 1.1旋转带来的优势 * 1.2 旋转带来的问题 旋转弹动力学特性的独特性：俯仰和偏航通道间的强耦合. 耦合的主要原因：马格努斯效应诱导的气动交联、陀螺效应诱导的惯性交联、动力学延迟诱导的控制交联。 俯仰和偏航通道强耦合的双输入-双输出动力学系统。 短周期响应的交叉耦合必然造成弹体对外回路制导系统指令的响应偏差，影响制导精度甚至弹体短周期稳定性。 * 图1 旋转弹的通道耦合示意图 * 寻求合适的解耦方式是导弹控制器设计中需要考虑的问题。 2.耦合分析 旋转弹线性化状态空间表示： 动力系数 是飞行高度H、马赫数Ma、质量m、极转动惯量Ix、赤道转动惯量Iy、以及弹体质心xcg、推力Pt、弹体转速 p 的函数。 马格努斯效应诱导的气动耦合： 陀螺效应诱导的惯性耦合： Ref： 周伟 .旋转弹动态稳定性与鲁棒变增益控制.2015 * 2.1 马格努斯力和力矩 * 2.2 惯性耦合 陀螺效应诱导的惯性耦合 p：转速 对于陀螺效应而言，由于弹体滚转，弹体在陀螺效应的作用下，俯仰方向弹体的摆动引起偏航方向的扰动力矩。 * 2.3 控制耦合 控制回路中传感器元件、伺服驱动系统和作动装置等滞后和延迟引起的俯仰和偏航通道间耦合作用统称为控制耦合。 主要来源于两种形式： 物理响应过程的动态滞后 信号传递与解算带来的纯延时 俯仰和偏航通道的控制指令矢量： 实际等效输出控制指令矢量： 仅考虑稳态输出耦合 * 实际等效输出控制指令矢量与控制指令矢量间的关系： * 3. 旋转弹解耦控制方法 3.1 静态解耦 主要是在小扰动线性化及“固化”系数的基础上发展起来的. 指令补偿解耦 对称耦合系统的解耦控制方法 3.2 动态解耦 基于现代控制理论 H∞ 解耦控制方法 * 3.1 指令补偿解耦控制方法 控制交联补偿 指令对舵机及系统纯延迟的相位补偿矩阵 弹体动力学补偿 弹体滚转造成的马格努斯效应和陀螺效应会导致弹体的输出在空间会存在一定的相位偏差，计算相位补偿矩阵 静态解耦舵机指令的补偿矩阵：  * 3.2 对称耦合系统的解耦控制方法 对称耦合系统：旋转弹俯仰和偏航通道动力学方程相似 复数方法:通过消除传递函数中的虚数部分来达到消除耦合的目的 线性化的控制系统： 系统状态矢量： 输出矢量： 控制矢量： 2X2的反对称矩阵 对角线元素相等 * 一般耦合系统的状态反馈补偿 * 求解十分复杂！！ 步骤一： 复数形式的运动方程 为了进行旋转弹的复数解耦控制，需要建立其复数形式的运动方程，首先定义复数量： 复攻角： 复角速率： 复加速度： 复舵偏： * 复数形式的运动方程最终表示 考虑舵机稳态延迟： 控制指令输入： 状态变量： 输出变量： * 步骤二： 设计状态反馈控制器 状态反馈： 图2 基于状态反馈的旋转导弹控制系统框图 * 步骤三：期望极点配置 采用极点配置方法求取控制器参数，并进行解耦设计。 极点配置的充要条件：系统完全能控，能控性矩秩满秩。 闭环系统的特征多项式： 给定期望的极点： 和 * 当反馈增益 f1 和 f2 确定后，系统的另一个设计参数可进一步通过下式获得： 期望极点的选取 * 图3. 旋转导弹解耦过载驾驶仪框图 选取期望极点 极点配置 控制器参数 复数形式 * 步骤四：增益调度表 状态1： 状态2：高度10km，速度700m/s，转速3转/秒 图：状态1设计的解耦控制器在状态2时的性能 * 增益调度表实例 调度参数：转速-速度-高度 转