小灵巧炸弹BTT控制器设计与弹道仿真
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摘要
小灵巧炸弹(Small Smart Bomb-SSB)是近年来发展较快的一种面对称航空制导弹药,由于具有结构简单、使用方便、射程远、命中精度高、造价低等优点而备受关注。SSB在空中飞行过程中通常采用倾斜转弯(Bank-To-Turn-BTT)控制方式,能够快速地把弹体的最大升力面转到理想的机动方向,从而产生需要的机动加速度,使弹体的气动效率大大提高。
本文以工程实际应用为目标,针对某SSB的飞行控制系统,把弹体模型作为一个多输入多输出(Multi-Input Multi-Output-MIMO)系统,运用鲁棒控制理论进行分析,采用线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality-LMI)混合加权灵敏度H∞控制方法,设计了适于大空域飞行的BTT控制器,并进行了全弹道仿真,验证了控制系统的性能。
主要进行了以下工作：
(一)在适当简化和假设的基础上,建立了小灵巧炸弹的运动学和动力学模型,选择工程上易于测量的变量作为状态变量,分俯仰-偏航通道和滚转通道推导出全状态可测量BTT数学模型。
(二)运用LMI混合加权灵敏度H∞状态反馈控制设计方法,取弹道上某一特征点为标称点,建立了标称模型,把其他特征点作为摄动模型,设计了双回路鲁棒BTT控制器,并进行了仿真实验。
(三)运用MATLAB/Simulink仿真软件,按照弹体模型、自动驾驶仪模型、目标模型、相对运动学模型、导引规律模型等5个部分,建立了SSB六自由度仿真模型,并进行了全弹道仿真。
通过理论分析和数字仿真实验表明,本文应用鲁棒控制理论设计的BTT控制器,具有较好的控制效果,能够为工程实际应用提供一定的参考。
As a symmetrical structure Guided Bomb Unit(GBU), The Small Smart Bomb (SSB) is developed very quickly in recent years. Because of simple frame, used conveniency, long range, highly shoot precision, and cheap, It is aroused persistent concern. SSB used to adopt Bank-To-Turn(BTT) control method in process of fling, which can make the largest lifting surface turning quickly to the ideal motor direction, and produce the reauired maneuvering acceleration. This method can obviously improve the efficiency dynamics of the SSB.
This thesis, aimmed at application of engineering practical, studies flight control system of a certain SSB, which mathematical model is regarded as Multi-Input Multi-Output(MIMO) system, applies Robust Control theory, adopts Linear Matrix Inequality(LMI) mixed weight sensitivity H∞control method, designs the BTT controller which can make the SSB flying at large airspace, and then validates the control system performance by the whole trajectory simulation of the SSB.
The main research works are described as follows:
1.Based on the correctly simplifying and assuming, the thesis establishes the SSB's kinematical model and dynamical model, and chooseing the state varibales, that can be messured easily in engineering practical, deduces all states measurable BTT mathematical model include of Pitch-Yaw chunnel and Roll chunnel.
2.By using the LMI mixed weight sensitivity H∞state feedback design method and choosing a certain special state points as standard state point on the trajectory, The thesis establishes the standard model and different model of SSB, designs two-loop robust BTT controller, and does the experiment of simulation.
3.Using MATLAB/Simulink simulation software, The SSB's six degree of freedom simulation model is established, which including of body model, autopilot model, target model, realtive kinematics model, and guidance law model five parts, and followed to do the simulation of the whole trajectory.
It is proved by theoretical analysis and digital simulation, the method of the BTT controller design with Robust Control theory has achieved good control effects. The works in this thesis will serve as helpful references for the application of engineering practices.
本文以工程实际应用为目标,针对某SSB的飞行控制系统,把弹体模型作为一个多输入多输出(Multi-Input Multi-Output-MIMO)系统,运用鲁棒控制理论进行分析,采用线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality-LMI)混合加权灵敏度H∞控制方法,设计了适于大空域飞行的BTT控制器,并进行了全弹道仿真,验证了控制系统的性能。
主要进行了以下工作：
(一)在适当简化和假设的基础上,建立了小灵巧炸弹的运动学和动力学模型,选择工程上易于测量的变量作为状态变量,分俯仰-偏航通道和滚转通道推导出全状态可测量BTT数学模型。
(二)运用LMI混合加权灵敏度H∞状态反馈控制设计方法,取弹道上某一特征点为标称点,建立了标称模型,把其他特征点作为摄动模型,设计了双回路鲁棒BTT控制器,并进行了仿真实验。
(三)运用MATLAB/Simulink仿真软件,按照弹体模型、自动驾驶仪模型、目标模型、相对运动学模型、导引规律模型等5个部分,建立了SSB六自由度仿真模型,并进行了全弹道仿真。
通过理论分析和数字仿真实验表明,本文应用鲁棒控制理论设计的BTT控制器,具有较好的控制效果,能够为工程实际应用提供一定的参考。
As a symmetrical structure Guided Bomb Unit(GBU), The Small Smart Bomb (SSB) is developed very quickly in recent years. Because of simple frame, used conveniency, long range, highly shoot precision, and cheap, It is aroused persistent concern. SSB used to adopt Bank-To-Turn(BTT) control method in process of fling, which can make the largest lifting surface turning quickly to the ideal motor direction, and produce the reauired maneuvering acceleration. This method can obviously improve the efficiency dynamics of the SSB.
This thesis, aimmed at application of engineering practical, studies flight control system of a certain SSB, which mathematical model is regarded as Multi-Input Multi-Output(MIMO) system, applies Robust Control theory, adopts Linear Matrix Inequality(LMI) mixed weight sensitivity H∞control method, designs the BTT controller which can make the SSB flying at large airspace, and then validates the control system performance by the whole trajectory simulation of the SSB.
The main research works are described as follows:
1.Based on the correctly simplifying and assuming, the thesis establishes the SSB's kinematical model and dynamical model, and chooseing the state varibales, that can be messured easily in engineering practical, deduces all states measurable BTT mathematical model include of Pitch-Yaw chunnel and Roll chunnel.
2.By using the LMI mixed weight sensitivity H∞state feedback design method and choosing a certain special state points as standard state point on the trajectory, The thesis establishes the standard model and different model of SSB, designs two-loop robust BTT controller, and does the experiment of simulation.
3.Using MATLAB/Simulink simulation software, The SSB's six degree of freedom simulation model is established, which including of body model, autopilot model, target model, realtive kinematics model, and guidance law model five parts, and followed to do the simulation of the whole trajectory.
It is proved by theoretical analysis and digital simulation, the method of the BTT controller design with Robust Control theory has achieved good control effects. The works in this thesis will serve as helpful references for the application of engineering practices.
引文
[1]张铁城.制导炸弹——一种重要的空袭兵器和应对措施.现代防御技术,2005,33(4)：18-24
[2]范金荣.制导炸弹发展综述.现代防御技术,2004,32(3)：27-31
[3]潘火荣,任风云.美国空军精确制导武器技术发展计划简述.航空兵器,2004(4)：7-8
[4]温杰.美国空军加快发展小直径炸弹.国际航空杂志,2004(6)：45-47
[5]温杰,刘书岩.美国空军小直径炸弹系统的技术特点.飞航导弹,2004(10)：31-33
[6]思棋.世界灵巧炸弹的发展.飞航导弹,1993(7)：5-10
[7]张冬青,王蕾.从伊拉克战争看信息化战争及信息战.航天电子对抗,2005,21(1)：46.50
[8]刘怡,刘桐林.小型灵巧炸弹.飞航导弹,1995(6)：22
[9]杨明,上官垠黎.小直径炸弹控制技术研究.战术导弹控制技术,2006,55(4)：7-9
[10]徐文.小直径炸弹将提升作战飞机的载弹量.飞航导弹,2005(6)：6-7
[11]雷娟棉,胡俊,吴甲生.小直径炸弹(SDB)气动力问题.弹箭与制导学报,2004,24(3)：169-170
[12]陈英硕,尚绍华.X-45A与小型灵巧炸弹分离分析.飞航导弹,2007(11)：43-48
[13]吴杏芬.倾斜转弯(BTT)控制技术的综合评述.航天控制,1990(2)：15-26
[14]张靖男,赵兴锋,郑志强.BTT导弹的发展现状与趋势.飞航导弹,2006(10)：37-39
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