远程防空导弹飞行控制方法研究

序

现代战争对防空导弹的综合性能要求越来越高，尤其是为了破袭敌空中防区外攻击体系，打击其预警机、加油机等核心支点，防空导弹的射程需不断向远程拓展。但远程飞行并非简单增加推进剂即可实现，在防空导弹武器系统对导弹弹径、重量、发射装置载弹量等多种因素综合约束下，其主要技术途径是利用大气高层作为飞行走廊，规划飞行弹道轨迹，快速抵达目标区域，拒敌于千里之外。实践证明，这一技术体制在解决一系列关键技术问题的基础上，可有效支撑防空导弹的扩远设计。
首先，导弹在大气层内长时间高速飞行，弹体与大气不断摩擦产生热量，引起弹体温度持续升高，这将导致弹体的弹性模态越来越偏离其常温状态，如果不妥善处理，将严重影响控制性能，甚至导致弹体失稳；其次，导弹在远程飞行过程中，空域和速域均大范围变化，伴随着大量的外界干扰和参数不确定性，这些因素均会对弹道特性产生影响，加之积分效应，射程越远，影响越大；再者，在大气高层飞行时，由于空气稀薄，气动控制力有限，为了满足机动性要求，一般需要配备姿控/轨控发动机、推力矢量控制等附加执行机构，或者采取导弹变外形的敏捷机动技术，这些措施在提高导弹机动能力和操稳特性的同时，也使得控制系统结构复杂化，并导致较强的多维耦合特性；后，远程防空导弹的作战纵深大，制导链路长，中末制导交班时自主截获更难，需要研究多弹协同探测和弹道规划问题，借助于多飞行器协同的思路来提升系统能力。
本书系统地介绍了远程防空导弹设计中有关控制、制导和弹道问题的解决途径，是国内首次系统阐述远程防空导弹设计技术的专著。导弹总体、制导控制等相关专业的研究生和初涉防空导弹领域的设计人员，通过阅读本书可以比较全面地了解远程防空导弹的设计理论与工程方法。本书亦可供多年工作在该领域的科研人员参考。

本书系统地介绍了远程防空导弹设计中有关控制、制导和弹道问题，内容主要包括防空导弹控制技术发展、控制系统设计一般性准则、摆动喷管在防空导弹上的应用、基于参数辨识的自适应控制方法、稀薄大气层直气复合控制方法、直气复合控制稳定性分析方法、多操纵机构复合控制方法、变外形控制技术、基于能量约束的初中制导方法、远程防空导弹滑跃弹道设计方法、多约束协同中制导弹道规划方法等。本书可为从事防空导弹控制系统工程技术的科研人员提供系统论证、设计和工程应用的辅助，也可为航空航天相关专业的高等院校师生提供方法研究的参考。

魏明英，新型防空导弹武器技术领域带头人、直接侧向力/气动力复合控制技术带头人，航天科工集团二院研究员；长期从事导弹总体及制导控制技术研究，主持完成了首型新领域防空导弹技术研究，完成了首次新型防御飞行试验，推动了防御作战理念创新。主持了直接侧向力/气动力复合控制应用基础研究，构建了末段高精度防御制导控制技术研究方法体系，成功应用于末段防御技术研究，为国家防御体系建设作出重大贡献。

第1章绪论1
1.1控制理论及思想的某种追溯1
1.1.1控制论由来1
1.1.2控制理论方法在工程应用中的几点认识3
1.2防空导弹控制技术发展6
1.3远程防空导弹飞行控制面临的主要技术难点7
1.3.1跨空域跨速域自适应控制7
1.3.2多操纵机构复合控制7
1.3.3远程飞行弹道设计8
1.3.4远程防空多弹协同探测制导弹道规划8
1.3.5变外形控制技术8
1.4本章小节9第2章准备知识10
2.1引言10
2.2坐标系及转换关系10
2.2.1坐标系定义10
2.2.2坐标系转换关系10
2.3导弹运动模型14
2.3.1导弹质心运动的动力学方程14
2.3.2导弹绕质心转动的动力学方程19
2.3.3导弹质心运动的运动学方程21
2.3.4导弹绕质心转动的运动学方程21
2.3.5导弹单通道姿态运动简化模型23
2.4相平面控制理论简介24
2.5滑模变结构控制理论简介26
2.5.1滑模变结构控制系统的定义27
2.5.2滑模变结构控制的到达条件27
2.5.3限制S·的趋近律法求取滑模变结构控制27
2.5.4滑模变结构控制系统的不变性和抖振问题28
2.6自适应控制方法简介29
2.6.1自适应控制的发展情况29
2.6.2模型参考自适应控制系统30
2.6.3自校正控制系统31
2.6.4基于神经网络的自适应控制系统31
2.6.5基于模糊逻辑的自适应控制31
2.6.6无模型自适应控制32
2.6.7全系数自适应控制32
2.6.8其他自适应控制方法32
2.7本章小结32第3章防空导弹控制系统设计一般性准则33
3.1引言33
3.2稳定控制系统设计的一般性准则33
3.2.1制导控制系统对稳定回路指标的一般要求34
3.2.2导弹操纵性及稳定性选择34
3.2.3导弹频率规划设计34
3.3稳定控制系统设计的一般要求36
3.3.1稳定设计一般方法36
3.3.2阻尼控制回路36
3.3.3过载控制回路37
3.4初制导段控制系统设计37
3.4.1稳定控制结构选择37
3.4.2设计思想38
3.5中制导段稳定控制系统设计41
3.5.1俯仰偏航回路稳定系统结构图选择41
3.5.2滚动回路结构图的选择42
3.5.3设计方法42
3.6气动力控制下姿态跟踪古典控制律设计44
3.6.1三通道解耦控制系统模型44
3.6.2俯偏通道姿态跟踪古典控制律设计45
3.6.3滚动稳定古典控制律设计47
3.7利用正交试验考查系统鲁棒性49
3.8本章小结49第4章摆动喷管在远程防空导弹上的应用50
4.1引言50
4.2摆动喷管伺服系统的应用与建模50
4.2.1摆动喷管种类50
4.2.2伺服机构种类52
4.2.3摆动力矩计算方法54
4.2.4摆动喷管伺服系统地面试验55
4.2.5摆动喷管伺服系统建模56
4.3基于摆动喷管控制的弹体弹性模型56
4.3.1弹性弹体动力学方程一般描述56
4.3.2作用在弹体上的广义力57
4.3.3弹性弹体模型57
4.4基于摆动喷管弹体稳定控制的几个问题58
4.4.1弹性振动稳定方法59
4.4.2伺服机构安装方式带来的控制影响60
4.4.3摆角指令限幅处理60
4.5基于摆动喷管的弹体转弯控制方法61
4.5.1摄动制导转弯61
4.5.2闭路制导转弯62
4.6本章小结63第5章基于参数辨识的自适应控制方法64
5.1引言64
5.2非线性系统可观性分析理论64
5.3导弹控制系统气动参数在线辨识67
5.3.1气动控制导弹运动模型的线性化67
5.3.2气动力矩动力系数估计模型及可观性分析68
5.4弹性干扰信号的测频及滤波73
5.4.1FFT和CZT联合测频算法的用途和基本设计思路73
5.4.2FFT和CZT联合测频算法原理74
5.4.3FFT和CZT联合测频算法仿真结果75
5.4.4弹性频率滤波器设计79
5.4.5弹性滤波器工程实现80
5.5引入角加速度计的弹体弹性信号在线估计方法82
5.5.1引入角加速度计的目的82
5.5.2引入角加速度计的系统状态模型和可观性分析82
5.5.3引入角加速度计系统的Kalman滤波器88
5.6基于气动特性已知的弹性信号频率在线估计方法96
5.6.1气动力矩模型与弹体弹性变形模型96
5.6.2基于气动力矩模型的弹体弹性信号频率估计系统可观性分析96
5.6.3基于气动力矩模型的弹性信号频率估计滤波器设计（UKF）97
5.6.4基于气动力矩模型的弹体弹性信号频率估计仿真分析99
5.7基于弹性频率和气动特性未知的联合在线估计方法104
5.7.1弹性频率和动力系数联合估计可观性分析104
5.7.2弹性频率和动力系数联合估计仿真分析106
5.8基于气动参数辨识的自适应姿态控制律设计111
5.8.1俯仰通道气动参数实时估计滤波器及自适应控制律111
5.8.2滚转通道干扰实时估计滤波器和自适应控制律114
5.8.3姿态自适应控制系统仿真115
5.9本章小结120第6章稀薄大气层直接侧向力/气动力复合控制方法121
6.1引言121
6.2直接侧向力/气动力复合控制导弹概述121
6.2.1姿控方式121
6.2.2轨控方式122
6.2.3姿轨控方式122
6.3稀薄大气层拦截器姿控系统设计方法123
6.3.1姿控系统相平面控制器设计方法123
6.3.2姿控系统准滑模控制器设计方法125
6.3.3姿控系统相平面控制与准滑模控制仿真研究126
6.3.4姿控系统切换控制设计方法研究130
6.4轨控式直接侧向力/气动力复合控制方法研究138
6.4.1气动力控制系统设计138
6.4.2轨控式直接侧向力/气动力复合控制系统方案141
6.4.3基于滑模变结构的攻角抗干扰控制方法142
6.4.4基于推力分档的轨控发动机开启策略研究147
6.4.5轨控式直接侧向力/气动力复合控制结果及分析151
6.4.6轨控式直接侧向力/气动力复合控制系统稳定性分析156
6.5基于轨控式直接侧向力/气动力复合控制的导引方法研究169
6.5.1轨控式直接侧向力/气动力复合控制导弹的制导控制过程169
6.5.2基于轨控式直接侧向力/气动力复合控制的导引方案研究170
6.5.3导弹-目标相对运动171
6.5.4修正的比例导引172
6.5.5变结构导引173
6.5.6仿真研究及精度分析174
6.6本章小结181第7章直接力/气动力复合控制系统稳定性分析方法183
7.1引言183
7.2基于经典控制理论的直接力/气动力复合控制稳定性分析183
7.2.1静稳定弹体传递函数184
7.2.2静不稳定弹体传递函数185
7.2.3复合控制系统静稳定点特性分析186
7.2.4复合控制系统静不稳定点特性分析189
7.2.5单独直接力控制时的静不稳定点特性分析192
7.2.6对复合控制系统在静不稳定点特性的深入分析193
7.3脉冲发动机“取整—饱和”硬非线性环节对复合控制系统的影响196
7.3.1脉冲发动机“取整—饱和”硬非线性环节的数学描述196
7.3.2脉冲发动机“取整—饱和”非线性特性对复合控制系统的影响分析198
7.3.3实例分析200
7.4脉冲发动机离散动态特性及“取整量化”误差对复合控制系统的
稳定性影响分析202
7.4.1脉冲发动机离散动态特性和“取整量化”误差的数学描述202
7.4.2脉冲发动机离散动态特性及量化误差对控制系统的稳定性影响分析205
7.4.3实例分析211
7.5本章小结213第8章导弹多操纵机构复合控制方法214
8.1引言214
8.2多维异构复合控制动力学模型214
8.2.1多维异构导弹纵向通道模型214
8.2.2多维异构导弹侧向通道模型217
8.3采用开关式直接力的多维异构复合控制律设计219
8.3.1多维异构导弹舵偏角控制律219
8.3.2多维异构导弹直接力滑模控制律220
8.3.3仿真验证223
8.4采用脉冲式直接力的多维异构导弹复合控制律设计226
8.4.1采用脉冲式直接力多维异构导弹复合控制律226
8.4.2仿真验证230
8.5本章小结233第9章浅谈变外形控制技术235
9.1引言235
9.2变外形应用模式235
9.2.1变外形在飞机上的应用235
9.2.2变外形在导弹上的应用237
9.3变后掠翼飞行控制器设计思路238
9.3.1基于自适应滑模的控制器设计思路238
9.3.2变外形与飞行协调控制思路240
9.4变外形技术在远程防空导弹上的应用241
９.5本章小结242第10章基于能量约束的初中制导方法243
10.1引言243
10.2初始转弯制导律研究243
10.2.1导弹到预测位置点的纵向相对运动模型244
10.2.2基于导弹预测位置点的制导律245
10.2.3控制量权重系数自适应时变的制导律248
10.3中制导段制导律研究253
10.3.1建立相对参考线的运动模型253
10.3.2体现末值约束的线性系统问题解算方法255
10.3.3拦截弹多约束能量制导律257
10.3.4仿真比较260
10.4本章小结262第11章远程防空导弹滑跃弹道设计方法 263
11.1概述263
11.2远程防空导弹滑跃弹道特性及设计要素263
11.2.1桑格尔弹道264
11.2.2钱学森弹道264
11.2.3远程防空滑跃弹道264
11.3远程防空滑跃弹道设计方法265
11.3.1理论弹道计算265
11.3.2滑跃起始点控制271
11.3.3滑跃控制律设计272
11.3.4滑跃终止点控制273
11.4小结273第12章中制导末段多约束多弹协同弹道规划方法274
12.1概述274
12.2基于速度预测的纵平面中制导末段多弹协同规划方法274
12.2.1考虑攻角及马赫数变化的阻力系数模型274
12.2.2中制导末段协同弹道约束275
12.2.3 基于改进粒子群的协同参数优化277
12.2.4中制导末段协同弹道规划算法279
12.2.5仿真分析279
12.3中制导末段多弹协同三维弹道规划方法285
12.3.1三维中制导末段协同弹道约束及指标函数285
12.3.2 三维中制导末段协同弹道规划子过程划分及简化模型286
12.3.3 基于高斯伪谱法的中制导末段协同三维弹道规划方法286
12.3.4仿真分析287
12.4小结290参考文献291

系统地介绍了远程防空导弹设计中有关控制、制导和弹道问题

☆系统地介绍了远程防空导弹设计中有关控制、制导和弹道问题
☆可为从事防空导弹控制系统工程技术的科研人员提供系统论证、设计和工程应用的辅助
☆可为航空航天相关专业的高等院校师生提供方法研究的参考