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        大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法研究*

        2018-12-28 04:32:50毛柏源李君龍張銳
        現(xiàn)代防御技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        毛柏源,李君龍,張銳

        (1. 中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司 第二研究院;2.北京電子工程總體研究所,北京 100854)

        0 引言

        近年來,直接力/氣動(dòng)力復(fù)合控制技術(shù)作為防空武器系統(tǒng)的核心技術(shù)之一已被廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)可提高飛行器的響應(yīng)速度和機(jī)動(dòng)能力,是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈全空域“趨零脫靶量”高精度制導(dǎo)控制的有效途徑。

        在理論方面,國(guó)內(nèi)外許多專家針對(duì)飛行器直/氣復(fù)合控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究,Chadwick W R[1]分析了直接側(cè)向力大小及相對(duì)質(zhì)心位置對(duì)于復(fù)合控制彈體機(jī)動(dòng)性能的影響。Cao Huu Tinh[2]等基于模糊控制理論研究了直/氣復(fù)合控制下的導(dǎo)彈自動(dòng)駕駛儀性能。Seunghyun Kim[3]等將直/氣復(fù)合控制問題等效為力和力矩的控制,采用滑模變結(jié)構(gòu)理論對(duì)比研究了力和力矩分別控制彈體時(shí)的響應(yīng)速度,最終得到了力和力矩控制下的最佳混合策略。D.Brett Ridgely[4-5]等研究了直/氣復(fù)合控制下的最優(yōu)分配策略問題。畢永濤[6]等針對(duì)直/氣復(fù)合控制導(dǎo)彈,提出了將非線性模型預(yù)測(cè)方法與自抗擾控制方法結(jié)合的姿態(tài)控制策略。楊春寧[7]等提出基于穩(wěn)定性判據(jù)的直/氣復(fù)合控制方法解決了傳統(tǒng)直/氣復(fù)合控制系統(tǒng)側(cè)噴發(fā)動(dòng)機(jī)開啟導(dǎo)致魯棒性較差的問題。邵雷[8]等研究了基于魯棒軌跡跟蹤的直/氣復(fù)合魯棒姿態(tài)控制方法。

        在實(shí)際應(yīng)用方面,如美國(guó)的PAC-3,它的直接力由安裝在質(zhì)心前方的小型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)組產(chǎn)生。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)組共有180個(gè)側(cè)向噴流發(fā)動(dòng)機(jī),均勻分布為10圈,每10°安裝一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。它們的使用時(shí)間固定,并且單個(gè)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)只能使用一次。發(fā)動(dòng)機(jī)組到質(zhì)心的距離L平均為1.26 m,每個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)在開火時(shí)所產(chǎn)生的穩(wěn)定推力為2 200 N。PAC-3采用的直/氣復(fù)合控制方式是利用空氣動(dòng)力與安裝在相對(duì)質(zhì)心一定距離的微小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合所組成的力矩控制系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行控制。

        本文通過研究姿控模式的直/氣復(fù)合控制方式,提出了一種不同于PAC-3的大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法,它利用攔截彈的攔截器軌控發(fā)動(dòng)機(jī)為彈體提供直接力,實(shí)現(xiàn)直/氣復(fù)合控制。該方法建立的直接力具有延遲大,推力大等特點(diǎn)。較大的直接力可以更大程度提升彈體過載能力,提高彈體機(jī)動(dòng)性能。

        本文首先建立了攔截彈直/氣復(fù)合控制模型,之后通過理論計(jì)算了直接力加入后對(duì)復(fù)合控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的影響。針對(duì)復(fù)合控制模型設(shè)計(jì)了滑??刂破?,最后對(duì)純氣動(dòng)力控制和直/氣復(fù)合控制過載響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析,分析結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的滑??刂破黥敯粜暂^好,能夠顯著提升過載響應(yīng)速度,使直/氣復(fù)合控制系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

        1 攔截彈直/氣復(fù)合控制建模

        為提高攔截彈高空機(jī)動(dòng)能力,研究了一種大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法。該方法中,直接側(cè)向力由攔截器軌控發(fā)動(dòng)機(jī)提供,由于此軌控發(fā)動(dòng)機(jī)位于彈體質(zhì)心之前,故該發(fā)動(dòng)機(jī)與氣動(dòng)舵共同構(gòu)成姿控模式的直/氣復(fù)合控制形式。

        直接側(cè)向力推力特性如圖1所示。

        圖1中,F(xiàn)max代表穩(wěn)態(tài)推力,T0及ΔT代表發(fā)動(dòng)機(jī)開、關(guān)機(jī)的理想時(shí)刻與實(shí)際時(shí)刻的延遲時(shí)間。直接力簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

        圖2中up為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)輸入信號(hào),up=0表示姿控關(guān)閉,up=1,-1分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)正向和負(fù)向開機(jī)。

        建立復(fù)合控制導(dǎo)彈的剛性彈體俯仰通道數(shù)學(xué)模型如下[9]

        (1)

        將式(1)模型小偏差線性化后得到

        (2)

        式中:

        復(fù)合控制系統(tǒng)采用直接力前饋,氣動(dòng)力主饋通路的復(fù)合控制方法??刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

        控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是,在原來反饋控制器的基礎(chǔ)上,利用控制指令來形成直接力控制信號(hào)。阻尼回路采用預(yù)定增益控制技術(shù),加速度回路采用滑模變結(jié)構(gòu)控制率。這種前饋-反饋控制方案的特點(diǎn)是:前饋控制不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,所以原來設(shè)計(jì)的反饋控制系統(tǒng)不需要重新鎮(zhèn)定參數(shù),在控制方案上有很好的繼承性;在不考慮側(cè)風(fēng)干擾情況下,直接力控制裝置控制信號(hào)用作前饋信號(hào),當(dāng)其操縱力矩系數(shù)有誤差時(shí),并不影響原來反饋控制方案的穩(wěn)定性,只會(huì)改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[10-11]。

        2 復(fù)合控制系統(tǒng)快響應(yīng)特性分析

        本文研究的大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法中,直接力引入對(duì)于復(fù)合系統(tǒng)快響應(yīng)特性的作用至關(guān)重要,因此本節(jié)將從過載響應(yīng)時(shí)間需求出發(fā),根據(jù)彈體氣動(dòng)特性和大姿控力矩特點(diǎn),建立性能指標(biāo)函數(shù),將復(fù)合控制系統(tǒng)快響應(yīng)問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題并進(jìn)行求解。

        彈體的響應(yīng)過渡過程如圖4所示。

        t2段為減速段,為使建立的攻角最終達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài),須使彈以一定的角速度減速,所以t2為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)反向開機(jī)時(shí)間。此階段結(jié)束時(shí),導(dǎo)彈獲得最大的穩(wěn)態(tài)平衡攻角[12]。

        根據(jù)圖5可將攻角表示為

        (3)

        t1,t2應(yīng)滿足如下條件:

        (4)

        對(duì)式(3)連續(xù)積分整理可得

        當(dāng)T-t2

        (5)

        攻角建立過程存在2種特殊情況,即無氣動(dòng)力控制情況或在平衡狀態(tài)下氣動(dòng)舵偏轉(zhuǎn)的情況(t1=t2)以及姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火目的是加速建立攻角的情況(t2=0)。

        本文研究姿控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火是為了加速建立攻角。故只考慮t2=0的情況。針對(duì)某型攔截彈,彈體狀態(tài)參數(shù)如表1所示。其中F為單個(gè)姿控噴管穩(wěn)定推力,ΔL為姿控力臂。

        表1 導(dǎo)彈飛行狀態(tài)參數(shù)

        根據(jù)以上分析,可將姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)的確定轉(zhuǎn)化為相應(yīng)可直接求解的最優(yōu)化問題模型。通過應(yīng)用最優(yōu)控制,尋找最優(yōu)控制律使性能指標(biāo)達(dá)到最小,從而達(dá)到優(yōu)化控制的目的。

        假設(shè)最優(yōu)控制開始時(shí)刻為tn,結(jié)束時(shí)刻為tm(n,m>0;n,m∈N),則問題利用如下的約束條件進(jìn)行描述:

        初始狀態(tài)約束C1:

        x1(tn-1)=x10,x2(tn-1)=x20.

        (6)

        終端狀態(tài)約束C2:

        x1(tm)=x1m,x2(tm)=x2m.

        (7)

        終端時(shí)刻約束C3:

        tm-tn=m-nT.

        (8)

        控制量約束C4:

        u1min≤u1≤u1max,
        u2min≤u2≤u2max,
        u3min≤u3≤u3max.

        (9)

        約束條件C1為控制開始時(shí)刻彈體的初始條件;約束條件C2體現(xiàn)了在一個(gè)最優(yōu)控制周期內(nèi),終端時(shí)刻對(duì)于穩(wěn)態(tài)攻角和彈體旋轉(zhuǎn)角速度的要求;約束條件C3體現(xiàn)了最優(yōu)控制控制周期的時(shí)間約束。

        控制量約束中u1選取范圍為舵偏角范圍,u2選取范圍為姿控直接力大小取值,u3選取范圍為姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)消耗燃料的范圍。

        對(duì)于本文研究的有限時(shí)間問題,結(jié)合式(5)得到性能指標(biāo)如下

        (10)

        式中:pm,qm,sm為可以設(shè)置的權(quán)重。

        通過對(duì)這幾個(gè)權(quán)值的設(shè)計(jì),可以達(dá)到最優(yōu)控制的目的,由性能指標(biāo)知,姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)問題可描述為如下的最優(yōu)控制問題:

        (11)

        對(duì)上述最優(yōu)問題求解,可得到攻角建立過渡過程與姿控開機(jī)時(shí)長(zhǎng)關(guān)系如表2所示。

        表2 計(jì)算結(jié)果

        從表2可知,加速段姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)和所要建立的攻角大小成正比。姿控發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng),建立的攻角更大。響應(yīng)時(shí)間同時(shí)受到所要建立的穩(wěn)態(tài)攻角大小及姿控開機(jī)時(shí)長(zhǎng)影響。

        3 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化

        對(duì)于本文研究的攔截彈直/氣復(fù)合控制模型,考慮將直接力F引入后,定義直接力產(chǎn)生等效舵偏角δp為

        (12)

        式中:δmax為氣動(dòng)舵偏角限幅值[13]。

        則建立等效彈體模型,令δz=δp=δ,式(2)可寫為

        (13)

        彈體角速度傳函、加速度傳函簡(jiǎn)化為

        (14)

        式中:

        b12=(a2+a1a4)-1,

        b11=(a1+a4)(a2+a1a4)-1,

        kw=-(a3a4-a2a5)(a2+a1a4)-1,

        ka=vkw,

        對(duì)于等效后的復(fù)合控制彈體模型,內(nèi)回路為阻尼回路,忽略舵機(jī)高頻模態(tài),得到阻尼回路閉環(huán)傳遞函數(shù)為

        (15)

        由式(14),(15)得到簡(jiǎn)化后的加速度方程為

        (16)

        式中:

        3.2 切換函數(shù)選取

        設(shè)輸入加速度指令為ac,建立誤差方程為:e=ac-ad,其中ad為加速度反饋信號(hào)。

        3.3 滑??刂坡试O(shè)計(jì)

        為獲得更快的響應(yīng)速度,采用指數(shù)趨近律,有

        (17)

        s(-εsigns-ks).

        (18)

        由于式(18)中符號(hào)函數(shù)sign表示不連續(xù)的控制,故控制系統(tǒng)會(huì)在滑模面附近出現(xiàn)抖振。為避免抖振影響,signs通常由下式替換

        (19)

        式中:m>0代表φ(s)對(duì)于符號(hào)函數(shù)signs的接近速度。在很多工程應(yīng)用中,也可用下式替代符號(hào)函數(shù)

        (20)

        在式(19),(20)中,式(19)由于引入了指數(shù)函數(shù),具備更快的趨近速度。取m=10,εc=0.1 來驗(yàn)證2種替代函數(shù)性能。驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。

        由圖5可知,式(19)對(duì)于符號(hào)函數(shù)signs的替代性能更優(yōu)[15]。

        結(jié)合式(18),(19)得到滑??刂坡蕿?/p>

        (21)

        4 仿真校驗(yàn)

        針對(duì)第1節(jié)建立的攔截彈直/氣復(fù)合控制模型,當(dāng)輸入過載指令為10時(shí),對(duì)比分析了純氣動(dòng)力控制與直/氣復(fù)合控制的過載響應(yīng)性能。針對(duì)靜穩(wěn)定和靜不穩(wěn)定2種彈體特性下的復(fù)合控制模型進(jìn)行仿真。最后分析了對(duì)于這種大姿控力矩直/氣復(fù)合控制,不同直接力對(duì)復(fù)合控制系統(tǒng)的過載響應(yīng)影響。表3和表4分別為靜穩(wěn)定與靜不穩(wěn)定彈體動(dòng)力學(xué)系數(shù),表5為滑模控制器及彈體飛行狀態(tài)參數(shù)。

        表3 靜穩(wěn)定彈體動(dòng)力學(xué)系數(shù)

        表4 靜不穩(wěn)定彈體動(dòng)力學(xué)系數(shù)

        表5 控制器參數(shù)及飛行狀態(tài)參數(shù)

        情形1 純氣動(dòng)力控制與直/氣復(fù)合控制過載響應(yīng)性能對(duì)比,仿真結(jié)果如圖6~9所示。

        從以上仿真結(jié)果可以看出,利用大姿控力矩直/氣復(fù)合控制可以將過載響應(yīng)時(shí)間由純氣動(dòng)力控制的t=0.72 s縮短到t=0.42 s,響應(yīng)速度能夠提升40%,響應(yīng)時(shí)間基本接近理論計(jì)算結(jié)果。同時(shí),從仿真結(jié)果可以看出,在復(fù)合控制切換為氣動(dòng)力控制時(shí),設(shè)計(jì)的滑??刂破骺梢詫⑦^載響應(yīng)突變降到0.5以內(nèi),且系統(tǒng)從滑模態(tài)能以較快速度趨近于滑模面,表明控制器參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

        情形2 不同彈體特性時(shí)的復(fù)合控制模型過載響應(yīng)性能對(duì)比,仿真結(jié)果如圖10所示。

        情形3 不同直接力對(duì)復(fù)合控制模型過載響應(yīng)性能影響,仿真結(jié)果如圖11所示。

        由圖10,11可得出,使用直接力前饋、氣動(dòng)力反饋構(gòu)成的直/氣復(fù)合控制方法能夠適用于不同的彈體特性,且魯棒性良好。對(duì)于大姿控力矩下的直/氣復(fù)合控制,直接力F由3 500 N增大到4 500 N,過載響應(yīng)速度可以提升20%,但當(dāng)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí),引起的過載突變也會(huì)增大。這說明應(yīng)用這種大姿控力矩方法時(shí)需要根據(jù)過載要求,合理選擇直接力大小。

        5 結(jié)束語

        本文研究了一種大姿控力矩的直/氣復(fù)合控制方法,通過建立性能指標(biāo)函數(shù),求解最優(yōu)化問題,得到了最優(yōu)姿控開機(jī)時(shí)長(zhǎng)。利用滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)這種大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果表明,采用這種大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法有效提升了系統(tǒng)過載響應(yīng)速度。本文提出的大姿控力矩直/氣復(fù)合控制方法一定程度上改善了復(fù)合控制中直/氣控制模式切換過程的過載突變問題,具有一定的工程價(jià)值。

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