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制導炮彈導引控制一體化設計技術 版權信息
- ISBN：9787030697929
- 條形碼：9787030697929 ; 978-7-03-069792-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
制導炮彈導引控制一體化設計技術 內容簡介
本書以制導炮彈為研究對象，在其打擊近岸固定或機動目標的末制導段，從設計模型、設計方法、數學仿真與半實物仿真等方面，系統地研究了考慮多項約束的導引與控制一體化設計方法。全書共6章，主要內容包括制導炮彈、IGC設計方法與制導領域半實物仿真等方面的研究現狀，導引與控制一體化設計所需要的設計模型，考慮攻擊角約束與視線角速率測量受限、基于動態面滑模的AIGC設計方法，針對攻擊角約束、視線角速率測量受限與執行器飽和、結合動態面滑模與自適應模糊控制的IGC通道獨立設計方法，考慮攻擊角約束、視線角速率測量受限與執行器飽和、基于塊動態面滑模與自適應模糊控制的IGC全狀態耦合設計方法，以及彈載微控制器、雙通道舵機與三軸轉臺等硬件、軟件在閉環回路的半實物仿真系統。
制導炮彈導引控制一體化設計技術 目錄
目錄
前言
主要符號說明
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 艦炮制導炮彈 2
1.2.2 考慮約束的導引與控制設計方法 6
1.2.3 導引控制近似一體化設計方法 11
1.2.4 導引控制一體化設計方法 13
1.2.5 導引與控制領域半實物仿真技術 19
1.3 目前研究存在的主要問題 21
1.4 本書主要內容 22
第2章 艦炮制導炮彈的導引控制一體化設計模型 25
2.1 坐標系建立與坐標系轉換 25
2.1.1 坐標系建立 25
2.1.2 坐標系轉換 27
2.2 艦炮制導炮彈的六自由度模型 31
2.2.1 質心運動的動力學方程 31
2.2.2 質心運動的運動學方程 32
2.2.3 繞質心轉動的動力學方程 32
2.2.4 繞質心轉動的運動學方程 33
2.2.5 角參量幾何關系方程 34
2.2.6 作用力 35
2.2.7 作用力矩 40
2.2.8 風對作用力與作用力矩的影響 43
2.3 目標模型彈目相對運動模型 46
2.3.1 目標的三自由度模型 46
2.3.2 彈目相對運動模型 48
2.4 導引控制近似一體化設計模型 50
2.4.1 通道獨立設計模型 51
2.4.2 通道耦合設計模型 53
2.5 導引控制一體化設計模型 54
2.5.1 通道獨立設計模型 54
2.5.2 全狀態耦合設計模型 59
2.6 本章小結 61
第3章 帶多約束的導引控制近似一體化設計方法 63
3.1 基于動態面滑模的通道獨立設計方法 63
3.1.1 問題描述 63
3.1.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 64
3.1.3 偏航通道設計方法 72
3.1.4 仿真結果與分析 73
3.2 考慮通道耦合的塊動態面滑模設計方法 79
3.2.1 問題描述 79
3.2.2 設計方法與穩定性分析 79
3.2.3 仿真結果與分析 85
3.3 本章小結 90
第4章 考慮多約束的導引控制一體化通道獨立設計方法 91
4.1 通道獨立的動態面滑模與自適應Nussbaum增益設計方法 91
4.1.1 問題描述 91
4.1.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 92
4.1.3 偏航通道設計方法 98
4.1.4 仿真結果與分析 99
4.2 基于動態面滑模與自適應模糊的通道獨立設計方法 104
4.2.1 問題描述 104
4.2.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 105
4.2.3 偏航通道設計方法 110
4.2.4 仿真結果與分析 112
4.3 考慮舵機齒隙的動態面滑模設計方法 117
4.3.1 問題描述 117
4.3.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 121
4.3.3 偏航通道設計方法 125
4.3.4 仿真結果與分析 128
4.4 本章小結 132
第5章 含多約束的導引控制一體化全狀態耦合設計方法 134
5.1 考慮全狀態耦合的塊動態面滑模設計方法 134
5.1.1 問題描述 134
5.1.2 設計方法與穩定性分析 135
5.1.3 仿真結果與分析 141
5.2 基于自適應模糊與塊動態面滑模的全狀態耦合設計方法 146
5.2.1 問題描述 146
5.2.2 設計方法與穩定性分析 147
5.2.3 仿真結果與分析 151
5.3 本章小結 157
第6章 導引控制一體化設計的半實物仿真研究 158
6.1 仿真研究需求與系統相似關系 158
6.2 系統總體方案 160
6.2.1 系統架構設計 160
6.2.2 硬件方案設計 162
6.2.3 軟件方案設計 172
6.2.4 系統誤差分析 175
6.3 半實物仿真測試 177
6.4 本章小結 185
參考文獻 186
前言
主要符號說明
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 艦炮制導炮彈 2
1.2.2 考慮約束的導引與控制設計方法 6
1.2.3 導引控制近似一體化設計方法 11
1.2.4 導引控制一體化設計方法 13
1.2.5 導引與控制領域半實物仿真技術 19
1.3 目前研究存在的主要問題 21
1.4 本書主要內容 22
第2章 艦炮制導炮彈的導引控制一體化設計模型 25
2.1 坐標系建立與坐標系轉換 25
2.1.1 坐標系建立 25
2.1.2 坐標系轉換 27
2.2 艦炮制導炮彈的六自由度模型 31
2.2.1 質心運動的動力學方程 31
2.2.2 質心運動的運動學方程 32
2.2.3 繞質心轉動的動力學方程 32
2.2.4 繞質心轉動的運動學方程 33
2.2.5 角參量幾何關系方程 34
2.2.6 作用力 35
2.2.7 作用力矩 40
2.2.8 風對作用力與作用力矩的影響 43
2.3 目標模型彈目相對運動模型 46
2.3.1 目標的三自由度模型 46
2.3.2 彈目相對運動模型 48
2.4 導引控制近似一體化設計模型 50
2.4.1 通道獨立設計模型 51
2.4.2 通道耦合設計模型 53
2.5 導引控制一體化設計模型 54
2.5.1 通道獨立設計模型 54
2.5.2 全狀態耦合設計模型 59
2.6 本章小結 61
第3章 帶多約束的導引控制近似一體化設計方法 63
3.1 基于動態面滑模的通道獨立設計方法 63
3.1.1 問題描述 63
3.1.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 64
3.1.3 偏航通道設計方法 72
3.1.4 仿真結果與分析 73
3.2 考慮通道耦合的塊動態面滑模設計方法 79
3.2.1 問題描述 79
3.2.2 設計方法與穩定性分析 79
3.2.3 仿真結果與分析 85
3.3 本章小結 90
第4章 考慮多約束的導引控制一體化通道獨立設計方法 91
4.1 通道獨立的動態面滑模與自適應Nussbaum增益設計方法 91
4.1.1 問題描述 91
4.1.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 92
4.1.3 偏航通道設計方法 98
4.1.4 仿真結果與分析 99
4.2 基于動態面滑模與自適應模糊的通道獨立設計方法 104
4.2.1 問題描述 104
4.2.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 105
4.2.3 偏航通道設計方法 110
4.2.4 仿真結果與分析 112
4.3 考慮舵機齒隙的動態面滑模設計方法 117
4.3.1 問題描述 117
4.3.2 俯仰通道設計方法與穩定性分析 121
4.3.3 偏航通道設計方法 125
4.3.4 仿真結果與分析 128
4.4 本章小結 132
第5章 含多約束的導引控制一體化全狀態耦合設計方法 134
5.1 考慮全狀態耦合的塊動態面滑模設計方法 134
5.1.1 問題描述 134
5.1.2 設計方法與穩定性分析 135
5.1.3 仿真結果與分析 141
5.2 基于自適應模糊與塊動態面滑模的全狀態耦合設計方法 146
5.2.1 問題描述 146
5.2.2 設計方法與穩定性分析 147
5.2.3 仿真結果與分析 151
5.3 本章小結 157
第6章 導引控制一體化設計的半實物仿真研究 158
6.1 仿真研究需求與系統相似關系 158
6.2 系統總體方案 160
6.2.1 系統架構設計 160
6.2.2 硬件方案設計 162
6.2.3 軟件方案設計 172
6.2.4 系統誤差分析 175
6.3 半實物仿真測試 177
6.4 本章小結 185
參考文獻 186
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制導炮彈導引控制一體化設計技術 節選
第1章 緒論 1.1 研究背景與意義 海軍戰略由近海防御型向近海防御與遠海護衛型的轉變，以及由海到陸、由海制陸、垂直包圍等海戰思想的發展進步，都對艦炮武器提出了更高要求：對海、對岸具有遠程精確打擊與持續火力支援的能力[1]。艦炮僅僅是發射平臺，在對目標毀傷的有效性方面，至關重要的是彈藥的終端效應。隨著微電子、導航、探測與控制等領域高新技術的日新月異，一種低成本、高精度的艦炮制導炮彈應運而生[2]，它能夠實現態勢感知、電子偵察與精確打擊等多種作戰效果[3]，不僅比導彈射速高、效費比高、持續作戰能力強，而且較常規彈藥射程遠、脫靶量小[4]，能夠對近岸指揮所、艦艇、裝甲等固定目標與機動目標進行遠程壓制和精確打擊，為登陸部隊提供持續可靠的海上火力支援[5]。 導引與控制系統是艦炮制導炮彈執行作戰任務的關鍵。其中，導引系統的主要功能是測量彈體與目標的相對運動信息，根據預設的導引方法得到命中目標所需的導引指令[6]；控制系統主要根據導引指令與彈體運動狀態，按照設定的控制方法形成控制指令，驅動執行機構產生適當的操縱力與力矩，改變彈體的姿態與速度方向，并克服風等不確定干擾，以保證飛行穩定，*終準確地命中目標[7]。 導引與控制系統的常規設計方式是忽略兩子系統之間的耦合作用，在分離設計完成后再聯調整合，適用于攻擊固定目標或低速非機動目標，因其原理簡單、易于實現而得到了廣泛應用，但前提是需要滿足時標分離條件[8]，即控制系統的時間常數遠小于導引系統，所以難以對整合后系統的穩定性進行理論證明。隨著攻防裝備體系的快速升級，彈體與目標的速度和機動能力均得到了提升，導引系統中各狀態的變化更為劇烈，兩子系統之間的耦合關系更為緊密，使得上述前提難以成立[9]，容易導致脫靶量較大、終端攻擊角度不理想等結果，系統的穩定性與可靠性也難以滿足戰技指標要求，那么就需要對兩子系統重新進行設計與聯調，致使設計成本增加、研發周期延長[10]。 辯證唯物主義的基本原理已明確指出：當系統的各部分以有序、合理、優化的結構形成整體時，整體功能會大于各部分功能之和[11]。因此，為了提高制導系統的整體性能，需要基于常規設計方式，先初步運用兩子系統之間的聯系，即在設計導引方法時考慮控制系統的動態特性，以過載作為連接兩子系統的橋梁，進行導引控制近似一體化(approximate integrated guidance and control， AIGC)設計[12]；進而充分考慮兩子系統之間的耦合作用，將準氣動角當作兩子系統的紐帶，進行導引控制一體化(integrated guidance and control， IGC)設計[13]。IGC與AIGC在本質上都是先通過合適的狀態量構建出兩子系統的直接聯系，形成一個串級型的嚴反饋閉環系統，然后根據彈目相對運動與彈體運動狀態，主動開發運用兩子系統之間的耦合關系以降低保守性、增強穩定性，通過合適的設計方法直接解算出過載控制指令或執行器操縱指令[14]。鑒于上述優勢，將先進的控制理論與工程技術應用于高超聲速飛行器?[15]、導彈[16]等高速運動飛行器的IGC設計，是導引與控制領域中的重要發展趨勢，但目前鮮見關于旋轉類飛行器IGC設計的研究，如何妥善處理飛行器的旋轉特性，使得系統在滿足考慮多項約束的同時保持一致*終有界(uniformly ultimately bounded， UUB)，仍然是該領域中涉及未深的問題。 相較于上述非旋轉類飛行器，艦炮制導炮彈具有明顯的特征，如研發成本低、艙室體積小、控制能力弱和彈體旋轉等。成本低、體積小就必然需要導引與控制兩子系統共享昂貴的傳感器[17]；彈體旋轉進一步增強了質心導引與姿態控制之間、俯仰與偏航通道之間的耦合關系，也提高了彈目相對運動、彈體動力學與運動學等模型的非線性程度，使作用在彈體上的力與力矩同兩子系統狀態的聯系更加密切[18]。在末制導段飛行過程中，制導性能難免會受到多項客觀因素的約束：為了達到更好的毀傷效果，常需要以期望攻擊角命中目標[19]；彈體旋轉使準確測量視線角速度變得困難，這對彈載傳感器提出了很高的要求[20]；舵機作為唯一可控制的執行機構，其偏轉范圍受到限制，導致其所能夠提供的操縱力與力矩有限[21]；傳動齒隙會降低舵機的動態性能[22]。彈體旋轉與多約束給IGC設計帶來了新的挑戰，尤其在系統重要狀態的有限時間收斂性，以及系統一致*終有界等方面。 本書以旋轉艦炮制導炮彈為研究對象，在其打擊近岸固定目標或機動目標的末制導段，著眼于設計模型、設計方法、數學仿真與半實物仿真(hardware in the loop simulation， HILS)等方面，對多約束IGC設計方法展開系統研究，所提出的設計模型與設計方法不僅適用于艦炮制導炮彈，而且能夠應用于制導迫彈、制導火箭彈等其他旋轉類飛行器，在經過適當簡化后還可以適用于非旋轉類飛行器，這對于IGC研究思路的拓寬、設計方法的完善、適用范圍的擴大以及工程應用的推進，都具有一定的理論意義與實踐價值。 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 艦炮制導炮彈 自20世紀90年代以來，國際熱點地區爆發的局部戰爭多數從海上發起，各軍事強國都將以海制岸的作戰能力看作現實需求而頗為重視。由于艦炮制導炮彈很好地迎合了現代高科技作戰對遠程化、信息化、精確化和高消耗性武器的需要，填補了導彈與傳統彈藥之間的空白，并且不需要特殊的發射平臺，有效地縮短了研發周期，降低了研發成本，被視為提高艦炮武器作戰效能的重要途徑。艦炮制導炮彈的主要發展歷程[23]如表1.1所示。 表1.1 艦炮制導炮彈的主要發展歷程 時間 技術特點 作戰目標 代表 20世紀80年代 炮射制導彈藥艦上應用 中程攻擊 Dead Eye型 20世紀90年代 增程、控制技術 遠程攻擊 彈道修正彈 21世紀 增程、制導、控制技術 遠程精確攻擊 LRLAP型 為了便于對艦炮制導炮彈進行IGC設計方法的研究，下面對國外主要型號艦炮制導炮彈的重要性能參數進行梳理與總結，以期能夠較為全面地掌握艦炮制導炮彈的主要結構、基本原理及技術特征。 1. 美國155mm遠程對陸攻擊炮彈 遠程對陸攻擊炮彈(long range land attack projectile， LRLAP)是BAE系統公司為155mm先進艦炮系統所研制的，如圖1.1所示，彈長為2.4m，質量為118kg，采用火箭助推與滑翔增程技術，射程185km，圓概率誤差(circular error probable， CEP)20m，射速為12發/min，采用全球定位系統(global positioning system， GPS)/慣性導航系統(inertial navigation system， INS)制導技術，工程與制造研發階段于2014年結束，并進行了大量射擊實驗[23]。先進艦炮系統發射LRLAP的概念圖如圖1.2所示。 圖1.1 遠程對陸攻擊炮彈 圖1.2 先進艦炮系統發射LRLAP的概念圖 2. 美國127mm EX-171增程制導炮彈 為了滿足美國海軍陸戰隊對遠程精確艦炮制導炮彈的需求，德州儀器公司針對Mk45-Mod4式127mm艦炮研發了增程制導炮彈(extended range guided munition， ERGM)，如圖1.3所示。該炮彈頭部為制導裝置和鴨舵，中部為殺爆戰斗部，尾部為火箭發動機和尾翼，彈長為1.86m，質量為48.8kg，采用火箭助推與滑翔增程技術[24]，射程100km，CEP5m，射速為10發/min，采用GPS/INS制導技術，具備打擊移動目標、多發同時彈著、大落角攻擊的能力，在2010年的靶場實驗中準確命中了74km外的目標。 圖1.3 127mm EX-171增程制導炮彈 3. 美國127mm多業務標準制導炮彈 127mm多業務標準制導炮彈(multi service standard guided projectile， MS-SGP)由BAE系統公司研制，射程100km，CEP10m，射速為10發/min，采用GPS/INS制導技術，配備光電或紅外導引頭，配用16.3kg殺爆戰斗部，可以由Mk45艦炮等通用平臺發射，能夠提供經濟可承受的遠程精確火力支援，已達到6級技術成熟度，具有再瞄準能力。 4. 法國155mm“鵜鶘”炮彈 155mm“鵜鶘”炮彈由法國地面武器工業集團公司研制，CEP10m，采用GPS/INS制導技術，有遠程和超遠程兩型：遠程型彈長為0.9m，質量為47kg，采用滑翔增程技術，射程60km，攜載63枚多用途子炸彈或3枚“博納斯”攻頂子彈藥；超遠程型彈長為1.4m，質量為61kg，前部、中部、后部分別為控制艙、戰斗部、火箭發動機，運用火箭助推與滑翔增程技術，射程85km，攜載77枚多用途子炸彈或4枚“泥鴿”子炸彈。 5. 意大利127mm“火山”炮彈 127mm“火山”炮彈是奧托 梅萊拉公司為意大利海軍的127mm艦炮研發的遠程制導炮彈，如圖1.4所示。該炮彈由固定頭部、戰斗部和可自由旋轉的尾部組成，頭部設有4片鴨舵，通過次口徑與尾翼穩定設計使初速1200m/s，射速為35發/min，采用GPS/INS制導技術，配用15kg破片戰斗部，有B-精確制導型、C-遠程型兩型[25]：B-精確制導型炮彈長為0.95m，質量為29kg，采用滑翔增程技術，射程90km，CEP20m，裝有針對艦艇的紅外引信，配用半穿甲戰斗部，在2500m高度、距目標約6000m時，啟動尋的系統；C-遠程型炮彈質量為39kg，采用火箭助推與滑翔增程技術，射程120km，CEP20m，用于對陸攻擊，滑翔階段以超聲速飛行，具備多發同時彈著、大落角攻擊的能力。 圖1.4 127mm“火山”炮彈 6. 英國155mm低成本制導炮彈 英國155mm低成本制導炮彈(low cost guided projectile， LCGP)彈長為1.62m，質量為45kg，采用火箭助推與滑翔增程技術，射程150km，在100km以外的射程上CEP30m，采用GPS/INS制導技術，配用子母戰斗部，采用復合材料、慣性測量單元與微機電系統等高新技術，降低了研發成本，如圖1.5所示。 圖1.5 155mm低成本制導炮彈 將上述國外艦炮制導炮彈的主要性能指標歸納于表1.2。可見國外艦炮制導炮彈型號的主要技術特征為口徑大、射程遠、精度高、成本低與器件微小型化等，采用鴨式氣動布局，通過尾翼增強彈體飛行穩定性，采用火箭助推與滑翔增程技術、GPS/INS制導技術，執行機構采用電動舵機進行雙通道控制，且具備攻擊機動目標、大落角攻擊、多發同時彈著等能力，為我國在該領域的研究與發展提供了值得借鑒的思路和經驗。 表1.2 國外艦炮制導炮彈的主要性能指標 由于作戰任務的需要，并且考慮到彈體旋轉、彈載器件性能[26]等因素的影響，彈體在末制導段飛行過程中，制導性能難免會受到多種客觀因素的約束，主要包括攻擊角約束、視線角速度測量受限和執行器控制飽和等，這給導引與控制方法的設計帶來了諸多困難。若要求彈體在滿足上述約束的同時，仍然具有較小的脫靶量，并且系統具有UUB等重要性能，僅滿足脫靶量要求的經典制導設計方法顯然已捉襟見肘。因此，研究滿足多項條件約束的導引與控制方法具有重要的理論價值和廣泛的應用前景，正吸引著眾多專家學者投入其中。 1. 攻擊角約束 為了獲得更好的毀傷效果，常常需要結合目標易損特性，使彈體在命中目標時滿足期望的攻擊角，以發揮戰斗部的*大效能。如圖1.6所示，在打擊水面艦艇等縱橫比較大的目標時，需要橫向切入攻擊，當攻擊裝甲坦克、碉堡工事等四周堅固但頂端薄弱的目標時，以大角度攻頂更為合
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