高超声速质量矩导弹布局/控制一体化技术研究

本项目研究如何提高质量矩导弹控制性能的问题。由于活动质量块在弹体内频繁运动，导弹姿态／活动质量块动力学模型属于典型的快时变多体系统，大量耦合因素严重地影响了系统的动态品质，给控制器设计带来了极大的困难；此外，该技术是通过调整质心指向压心的力臂来控制导弹机动飞行的，由于质量块运动引起的系统质心变化范围不大，所以压心不确定性明显地制约着系统的控制能力。.单纯依靠控制律设计很难解决上述问题，为此，课题组提出了布局/控制一体化的解决思路。通过布局优化来改善系统动态品质，在此基础上设计鲁棒控制律进行补偿。具体而言：在对俄罗斯白杨M导弹再入机动技术分析的基础上，给出课题组所关心的质量矩导弹初步轮廓；采用矢量力学方法建立导弹姿态/活动质量块耦合动力学模型；基于多学科设计优化方法优化弹体结构、气动子系统；运用鲁棒自适应控制理论设计姿态/活动质量块组合控制律。预期成果将为我国质量矩导弹的研制提供理论储备。

本项目从布局/控制一体化的角度研究如何提高质量矩导弹控制性能的问题：通过布局优化来改善系统动态品质，在此基础上设计鲁棒控制律进行补偿。. 对于倾斜稳定弹动力学与布局问题进行了研究：1）建立了三滑块作用下导弹动力学模型，对比分析了横向通道操纵力矩、扰动力矩影响系统的能力；2）研究了径向滑块作用下导弹滚转通道动力学问题；3）建立了压心测量误差情况下气动稳定力矩表达式，通过布局优化研究了如何降低压心不确定性对系统性能的影响。. 自旋弹动力学与控制问题较为复杂。课题组研究了滑块做正弦运动情况下自旋弹动力学问题。推导了滑块惯性力、哥氏力的等效力矩形式，在滑块与弹旋等频运动情况下，指出了该等效力矩不为零，它们与马格努斯力矩等侧向力矩共同作用下，使导弹产生了锥形运动。优化设计滑块总体参数、设计滑块运动规律可以从一定程度上消除锥形运动的影响，课题组在该方面开展了研究工作。. 在姿态控制方面，课题组分别采用了自适应反演控制律和滑模变结构控制律。1)基于反演技术研究了双滑块质量矩导弹俯仰、偏航通道跟踪控制问题；针对反演法存在计算膨胀这一问题，设计了滑模滤波器来估计虚拟控制量的导数；针对反演法给出的增益系数无法保证满意的性能指标这一问题，采用遗传算法优化控制器参数。2)基于自适应滑模控制设计了变质心再入飞行器双通道姿态控制器，包括姿态跟踪控制回路、活动质量体位置伺服控制回路两部分。. 依托本课题，已完成博士后报告1份，博士论文1份，硕士论文1份；在核心级以上刊物上已发表论文11篇，另外有2篇外文、2篇中文稿件在审。上述成果将为我国质量矩导弹的研制提供理论储备。