·
·
系 统 工 程 与 电 子 技 术
第
卷
39
ꢀ
1108
ꢀ
ꢀ
利 用
控 制 器 设 计 了 飞 行 器 的 姿 态 控 制 系 统 ,但 只 满
略 它 们 之 间 的 乘 积 ;
假 设 运 动 参 数 的 偏 量 在 小 扰 动 范 围 内 。
PID
足 在 特 征 点 附 近 具 有 较 好 的 动 态 特 性 ,体 现 了 系 统 的 不
确 定 性 。 而 随 着 分 数 阶 理 论 的 发 展 ,越 来 越 多 地 应 用 到
5
ꢀ
结 合 旋 转 弹 的 运 动 特 点 ,建 立 弹 体 的 扰 动 运 动 方 程 组
实 际 控 制 系 统 中 。 文 献 [
] 指 出 了 分 数 阶 控 制 器 具
6
4
·
烄
烅
烆
¨
犪
犪
犪′
Δ - 22 Δ - 24 Δα + 27 Δ
犪′
28 Δ
犪
=
25 Δδ 狕
-
β
有 优 于 整 数 阶
控 制 器 的 控 制 效 果 和 较 强 的 鲁 棒 性 。
PID
·
PIλ D μ
¨
分 数 阶
控 制 器 是 最 具 代 表 的 分 数 阶 控 制 器 ,它 比
犫
犫 犫′
-
24 Δ 27 Δα + 28 Δ = 25 Δδ 狔
β
犫′
犫
Δ
-
22 Δ
-
整 数 阶
控 制 器 多 两 个 参 数
和
λ
,具 有 更 大 的 调 节
犪
犪
Δθ - 34 Δα = 35 Δδ 狕
( )
1
PID
区 间 ,且 适 用 于 整 数 阶 系 统
修 正 弹 控 制 系 统 中 ,具 有 控 制 精 度 高 、鲁 棒 性 强 、控 制 灵
活 等 特 点 。 文 献 [ ]基 于 粒 子 群 ( )算 法 设 计 了 船 舶 舵
μ
·
] 。 将 分 数 阶 控 制 器 用 于
[
7
8
狏
犫
犫
=
35 Δδ 狔
Δ
-
34 Δ
β
Δ = Δθ + Δα
9
PS O
狏
Δ
= Δ
+ Δ
β
控 制 系 统 分 数 阶 控 制 器 。 文 献 [ ]基 于
算 法 对 导 弹
PS O
10
纵 向 状 态 方 程 进 行 了 分 数 阶 控 制 ,但 没 有 考 虑 导 弹 模 型 的
气 动 耦 合 。
式 中 ,弹 体 呈 轴 对 称 性 布 局 ,俯 仰 和 偏 航 方 向 的 气 动 力 系 数
近 似 相 等 ,即
,
,
,
犪 22 = 犫 22 犪 24 = 犫 24 犪 25 = 犫 25 犪′27 = 犫′27 犪′28
,
=
=
=
ω
狕
狕
,
,
,
犫′28 犪 34 = 犫 34 犪 35 = 犫 35 犪 22 = 犕
/
为 阻 尼 动 力 系 数 ;
犑 狕 犪 24
本 文 针 对 旋 转 弹 双 通 道 控 制 系 统 , 提 出 一 种 改 进 的
δ
狕
α
狕
狕
/
为 恢 复 动 力 系 数 ;
/
犪 25 = 犕 犑 狕
为 操 纵 动 力 系 数 ;
犪 34
犕
犑 狕
优 化 算 法 对 旋 转 弹 分 数 阶 控 制 器 进 行 设 计 。 首 先 构 建
犪 35 = 犉 δ狏
犪′
为 陀 螺 力
PS O
旋 转 弹 系 统 数 学 模 型 ,并 进 行 线 性 化 处 理 和 解 耦 处 理 ;然 后
采 用 分 数 阶 控 制 器 对 该 系 统 进 行 控 制 ,调 整 控 制 参
犉 α狏 犿狏
狕
/ ( )为 法 向 动 力 系 数 ;
/ ( )为 舵 面 动 力 系 数 ;
犿狏
β
/
= 犕 犑 狕
为 马 格 努 斯 力 矩 系 数 ;
犪′28
(
/
)
犑 狓 犑 狕
ω 狓
=
27
狕
PIλ D μ
数 ;提 出 一 种 惯 性 权 重 自 适 应 的
矩 系 数 ; 为 攻 角 ; 为 侧 滑 角 ; 为 弹 道 倾 角 ; 为 偏 航 角 ;
α
θ
β
(
,
PS O ada tive PS O A PS O
)
p
为 俯 仰 角 ; 为 弹 道 偏 角 。
狏
算 法 来 优 化 分 数 阶 控 制 器 的 参 数 ,以 提 高 算 法 的 计 算 精 度 、
改 善 系 统 的 动 态 性 能 。 通 过 实 验 比 较 、标 准
弹 体 飞 行 时 受 到 的 各 作 用 力 或 力 矩 会 选 取 不 同 的 坐 标
系 来 描 述 ,这 就 需 要 把 各 参 量 投 影 到 选 取 的 坐 标 系 中 。 在
研 究 弹 丸 的 空 间 运 动 时 ,常 选 取 不 同 的 坐 标 系 来 描 述 参 量 。
如 在 弹 道 坐 标 系 下 描 述 弹 箭 质 心 运 动 方 程 ,在 准 弹 体 坐 标
系 下 描 述 绕 质 心 转 动 的 动 量 矩 方 程 。 而 对 于 非 旋 转 弹 体 来
和
PS O
A PS O
主 导 极 点 法
种 算 法 ,结 果 表 明 本 文 所 提 方 法 具 有 较 好 的
3
控 制 效 果 。
旋 转 弹 控 制 模 型
1
ꢀ
说 ,姿 态 角
和
在 弹 体 坐 标 系 下 描 述 ;对 于 旋 转 弹 体 来
β
α
控 制 模 型 线 性 化
1 .1
ꢀ
说 ,
和
则 在 准 弹 体 坐 标 系 下 描 述 。 各 坐 标 系 间 的 转 换 关
β
α
旋 转 弹 在 飞 行 过 程 中 运 动 的 数 学 描 述 是 非 线 性 复 杂 系
系 可 通 过 角 度 间 的 投 影 变 换 得 到 。 准 弹 体 坐 标 系 是 为 研 究
旋 转 弹 的 旋 转 运 动 而 引 入 的 ,弹 体 坐 标 系 和 准 弹 体 坐 标 系
统 。 本 文 采 用 扰 动 方 法 将 非 线 性 方 程 组 近 似 成 线 性 的 弹 体
扰 动 运 动 方 程 组 ,推 导 出 系 统 的 传 递 函 数 。 由 于 旋 转 稳 定
的 弹 箭 在 飞 行 时 绕 弹 轴 滚 转 ,会 产 生 陀 螺 效 应 和 马 格 努 斯
效 应 ,这 使 得 旋 转 弹 的 数 学 模 型 具 有 强 耦 合 特 性 ,俯 仰 方 向
和 偏 航 方 向 的 运 动 耦 合 在 一 起 ,因 此 控 制 对 象 数 学 模 型 不
能 分 成 纵 横 向 分 别 考 虑 ,需 要 进 行 解 耦 处 理 。 有 控 弹 箭 的
间 的 关 系 可 由 一 个 自 转 角
确 定 ,转 换 矩 阵 为
γ
1
0
cos
sin
0
熿
燄
燅
( )
2
( )
γ
犔
0
0
sin
γ
=
γ
γ
-
cos
γ
燀
系 统 耦 合 特 性 分 析
六 自 由 度 非 线 性 数 学 模 型 的 建 立 参 见 文 献 [ ]。 基 于 以 下
11
1 .2
ꢀ
假 设 ,对 模 型 进 行 线 性 化 处 理 :
对 式 ( )进 行 拉 普 拉 斯 变 换 后 得 到 对 应 的 传 递 函 数 ,以
1
假 设
采 用 冻 结 系 数 法 ,即 假 定 认 为 未 参 与 扰 动 的
输 出 向 量 为 [
Δα
,
Δ
]、控 制 向 量 为 [ ]为 例 ,得 到 弹 体
,
1
ꢀ
Δδ 狔 Δδ 狕
β
模 型 在 准 弹 体 坐 标 系 下 对 应 的 传 递 函 数 为
弹 体 气 动 特 性 参 数 、结 构 特 性 参 数 等 均 保 持 不 变 ;
假 设
假 设
假 设
弹 体 的 气 动 特 性 按 轴 对 称 特 性 处 理 ;
不 考 虑 弹 体 重 力 对 转 动 速 率 影 响 ;
2
3
4
ꢀ
ꢀ
ꢀ
β
犌 δ狔
熿
燀
( )
( )燄
狊
犌 βδ
狊
狕
( )
3
( )
狊
犌 δ
=
α
犌 δ狔
犌 αδ
狊
( )
狊
( )
狕
燅
将 运 动 参 数 , , , , 等 按 小 量 看 待 ,并 忽
θ α
ω 狕
β
(
)
( )
( )
狊
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28 犪 35犪′28
2
狊
-
+
犪 24 犪 22犪 34
-
Δα
Δδ 狕
2
β
犌 δ狔
( )
狊
犌 αδ
狊
( )
=
=
=
=
+
2
狕
2
[
(
)
狊
]
[
-
]
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28
狊
犪 34 犪 22
-
+
-
-
+
+
-
[
(
)
](
)
犪 35犪 22 犪 25
狊
犪 34 犪 22
)
狊
犪 24 犪 22犪 34
-
犪 35
狊
+
(
-
犪 34 犪 22
-
-
[
+
+
( )
4
2
2
]
2
[
狊
]
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28
狊
犪 24 犪 22犪 34
-
+
-
-
+
-
+
-
(
)(
)
犪 35犪 22 犪 25
]
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28
( )
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28
+
犪 35
狊
狊
-
犪 34 犪 22
-
犪 24 犪 22犪 34
-
]
+
[
-
+
Δ
β
Δδ 狕
α
犌 δ狔
犌 βδ
( )
狊
( )
狊
=
=
-
2
狕
2
2
( )
狊
[
狊
(
)
狊
+
-
-
-
+
+
-
2
[
(
)
]
犪 24 犪 22犪 34 犪 35犪′28
- -
狊
犪 34 犪 22
-
狊
-
犪 34 犪 22
+
)
狊
( )
5
2
2
2
[
狊
(
]
[
-
]
犪′28狊 犪′27 犪 34犪′28
犪 24 犪 22犪 34
-
+
-
-
+
+
-
万方数据
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