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摘要自动驾驶仪是导弹控制系统的核心，主要起响应制导指令、操纵弹体姿态，进而调整飞行轨迹的作用。本文针对三回路自动驾驶仪设计相关控制算法，主要内容如下：首先，建立了所要用到的坐标系，介绍了坐标系之间变换的方法；在纵向平面内进行了弹体动力学方程的推导， 建立了炮射导弹动力学模型， 进行模型简化，根据简化数学模型设计相关控制器； 其次分阻尼回路、 增稳回路和过载跟踪回路，基于经典的PID控制规律， 进行三回路自动驾驶仪的设计。 使用MATLAB/simulink自带最优化方法进行 PI 控制器参数的优化设计。最后使用 MATLAB/simulink 进行仿真验证，得到过载跟踪回路响应时间、超调量皆满足设计指标。并以实际输入信号——方波和正弦波作为输入信号进行仿真，观察实际的跟踪效果，仿真结果表明跟踪效果良好。本文所得出的结论，对于实际中导弹自动驾驶仪的设计具有参考意义。31421
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毕业论文关键词 炮射导弹 三回路自动驾驶仪 控制器设计
Title The design of artillery missile tracking three-loopautopilot
Abstract Autopilot is the core of the missile control system，Mainly play the actionthat response-guided instruction, manipulate missile posture, thenadjust the flight path.In this paper, three-loop autopilot design-relatedcontrol algorithms, the following key elements:The main contents of this article: First,the coordinate system isdefined,derive the elastomer kinetic equations in the longitudinalplane ,and artillery missile dynamics model was established;Next,basedon the classic PID control law,design the three-loop autopilot.Usingsimulink own methods to optimize PI controller parameters optimizationdesign.Using simulink to simulate and verify,Square wave and sine waveas the input signal simulation, observe the effect of the actual track,obviously a good tracking.The conclusion in this paper,for practicalengineering design has some reference value and using value.
Keyword Artillery Missile Three-loop autopilot Controller Design
目次
1绪论1
1.1 研究背景1
1.2 炮射导弹及自动驾驶仪的发展及现状1
1.3 本文要解决的问题及采用的研究手段4
2 炮射导弹动力学的建模5
2.1 常用坐标系和角度定义5
2.2 作用在炮射导弹上的力和力矩7
2.3 导弹纵向平面运动方程和传递函数的推导9
2.4 弹体特征点的选取13
2.5 本章小结14
3 三回路自动驾驶仪设计15
3.1 三回路自动驾驶仪15
3.2 阻尼回路的设计16
3.3 增稳回路的设计20
3.4 过载跟踪回路的设计22
3.5 本章小结34
结论35
致谢36
参考文献37
1绪论1.1 研究背景炮射导弹是近年来在国外发展比较迅速的一种新型制导武器，它综合了火炮和火箭武器平台的优点，全面提高了武器系统的有效射程、命中精度和破甲威力。炮射导弹可与常规的炮弹共用同类型火炮发射，操作较为便利，可提高远距离作战能力并增加命中目标的精度[1]。自动驾驶仪可以根据一定的技术要求自动控制飞行器。在导弹上，可以稳定导弹的姿态，所以称做导弹姿态控制系统。 是炮弹的制导与控制系统，实现稳定和控制功能。现代自动驾驶仪的发展趋势是智能化和数字化。80 年代之前，战术导弹的工作时间比较短、较差等很少采用数字化的自动驾驶仪。计算机的出现，加快了自动驾驶仪的发展，战术导弹进入了使用数字式自动驾驶仪的阶段。近现代空中战争，自动驾驶仪的发展使战斗机能以最好的控制，如以在最短时间内到达预期的位置。在导弹攻击目标时，自动驾驶仪和制导系统的配合使用能让导弹更好的识别、分析敌情的改变并作出最合适的决策。随着现代战争对于智能化要求的提高，自动驾驶仪智能的功能便更加的被重视。对于现代军事科学而言，自动驾驶仪在无人机、无人定翼飞机和无人直升机等无人飞行器上的使用具有不可替代的作用。利用 MEMS 惯性器件和全球定位系统相结合的 GPS/INS 组合导航系统、 使用自适应和神经网络等高级控制算法以及体积小重量轻集成度高等技术已然成为了现代自动驾驶仪的标志。1.2 炮射导弹及自动驾驶仪的发展及现状国内外很多学者在自动驾驶仪相关领域进行了较为深入的研究， 其中范军芳[2]等关于二回路自动驾驶仪的设计中分析了由于参数的变化引起弹体模型和静稳定性的变化，及提高静不稳定性对导弹机动性的改善。研究了把实际设备的要求转变为系统指标的闭环系统极点的方法， 设计了极点配置和输出反馈的比较普遍的两回路自动驾驶仪的设计方法。 然而目前大多数的研究还是针对三回路自动驾驶仪的设计。王建琦[3]等基于 u 综合方法的自动驾驶仪设计对于具有不确定性的控制系统，如何保证控制系统的设计能够具有鲁棒性，同时又达到最优的控制性能，u 综合方法以完备的结构奇异值理论为基础，给出了这一问题的最优解。导弹受控飞行于稠密大气层时， 其自动驾驶仪正是这样一种要面对多种不确定性因素的控制系统，为使导弹控制在这种情况下达到鲁棒最优，将 u 综合方法用于导弹自动驾驶仪设计，并对设计结果进行了仿真验证，结果分析表明采用该方法对于导弹气动不确定性具有更好的鲁棒效果。邢立旦[4]等针对倾斜转弯的导弹，给出了用最优/经典综合的方法进行自动驾驶仪的设计。这种方法应用最优控制设计出俯仰/偏航两通道混合的三回路自动驾驶仪，设计过程中同时保证奇异值频域曲线， 保证系统具有较好的鲁棒性， 得到的三回路自动驾驶仪结构比较简易，便于在实际工作中设计使用。
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