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1、 分类号 V448.2 学号 09010042 U D C 密级 公 开 工学硕士学位论文 亚轨道飞行器上升段控制方法研究亚轨道飞行器上升段控制方法研究 硕士生姓名 毛智辉 学 科 专 业 航空宇航科学与技术 研 究 方 向 飞行器设计 指 导 教 师 张为华 教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月二一一年十一月 论文书脊论文书脊 （此页只是书脊样式，学位论文不需要印刷本页。 ） 亚轨道飞行器上升段控制方法研究 国防科学技术大学研究生院 Research On Ascending Phase Control Methods For Sub-orbital Veh
2、icle Candidate: Mao Zhihui Advisor: Zhang Weihua A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Aeronautical and Astronautical Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha, Hunan, P.R.Chin
3、a November，2011 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目 录 摘 要 .i Abstractii 第一章 绪 论 1 1.1 论文研究背景与目的 1 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究对象特点 1 1.1.3 论文研究目的 1 1.2 相关领域研究现状 2 1.2.1 亚轨道飞行器研究现状 2 1.2.2 飞行器控制系统研究现状 3 1.3 论文结构与研究内容 6 1.3.1 论文结构 6 1.3.2 论文研究内容 7 第二章 亚轨道飞行器运动模型的建立与分析 8 2.1 引 言 8 2.2 运动模型的建立 8 2.2.1 亚轨道飞行器质心运动的动力学方程
4、9 2.2.2 亚轨道飞行器绕质心转动的动力学方程.11 2.2.3 亚轨道飞行器运动学方程.11 2.2.4 控制关系方程 13 2.2.5 补充方程 13 2.2.6 标准弹道仿真 15 2.3 运动模型的线性化 17 2.3.1 纵向扰动运动模型的建立 17 2.3.2 侧向扰动运动模型的建立 23 2.4 运动模型的分析及简化 28 2.4.1 气动力和气动力矩计算 28 2.4.2 发动机推力模型 29 2.4.3 纵向扰动运动模型的分析及简化 30 2.4.4 侧向扰动运动模型的分析及简化 31 2.5 动力学特性分析 33 2.5.1 主要特征点分析 33 2.5.2 俯仰通道稳
5、定性分析 34 2.5.3 偏航通道稳定性分析 36 2.5.4 滚转通道稳定性分析 36 2.6 小 结 37 第三章 亚轨道飞行器控制方法设计.38 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.1 引 言 38 3.2 PID神经网络控制理论. 38 3.2.1 网络结构与输出计算 38 3.2.2 学习算法 39 3.3 PID神经网络设计. 41 3.3.1 基于CHNN的PID控制结构 43 3.3.2 基于CHNN的PID控制器参数优化计算 43 3.3.3 PID控制算法. 44 3.4 PID神经网络仿真. 44 3.5 小 结 47 第四章 亚轨道飞行器姿态控制系
6、统仿真48 4.1 引 言 48 4.2 基于PID神经网络的控制设计 48 4.2.1 亚轨道飞行器俯仰通道控制设计研究 48 4.2.2 亚轨道飞行器滚转通道控制设计研究 50 4.3 亚轨道飞行器飞行数值仿真 53 4.3.1 仿真模型的建立 53 4.3.2 控制性能分析 55 4.4 小 结 59 第五章 固体火箭姿态控制系统设计与试验 60 5.1 引 言 60 5.2 固体火箭动力学特性分析 60 5.3 固体火箭滚转通道控制设计 61 5.4 固体火箭滚转通道控制仿真 63 5.4.1 全数字仿真分析 63 5.4.2 半实物仿真分析 68 5.5 固体火箭发射试验及数据分析
7、71 5.5.1 发射实验 71 5.5.2 发射数据分析 73 5.6 小 结 75 第六章 结论与展望76 6.1 总 结 76 6.2 研究展望 76 致 谢 .78 参考文献80 作者在学期间取得的学术成果85 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 2.1 纵向扰动运动方程编号. 20 表 2.2 纵向运动参数编号. 20 表 2.3 纵向通道动力系数表达式. 21 表 2.4 侧向扰动运动方程编号. 26 表 2.5 侧向运动系数编号. 26 表 2.6 侧向通道运动系数表达式. 27 表 2.7 4s时飞行器运动相关参数表. 34 表 2.8 4s时
8、动力系数列表. 34 表 2.9 30s时飞行器运动相关参数表. 35 表 2.10 动力系数列表. 35 表 2.11 俯仰力矩系数对攻角导数列表(1/deg) 35 表 4.1 俯仰通道各时间点的传递函数. 49 表 4.2 俯仰通道各点处的PID参数及相应的调节时间、超调量表. 50 表 4.3 滚转通道各时间节点的传递函数. 51 表 4.4 滚转通道各点处的PID参数及相应的调节时间、超调量表. 52 表 5.1 固体火箭传递函数. 62 表 5.2 火箭各点处的PID参数及相应的调节时间、超调量、等效阻尼 63 表 5.3 ARG-80A角速率陀螺参数表 68 表 5.4 电台性能
9、参数表. 68 表 5.5 单片机性能参数表. 68 表 5.6 三轴转台主要技术指标. 68 表 5.7 火箭滚转阻尼力矩系数校验前后对比. 73 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 亚轨道飞行器典型X-33. 3 图 1.2 PID控制系统原理框图. 5 图 1.3 论文组织结构图. 6 图 2.1 地面坐标系与箭体系间的关系. 12 图 2.2 标准弹道位置曲线. 16 图 2.3 标准弹道速度曲线. 16 图 2.4 标准弹道马赫数曲线. 16 图 2.5 标准弹道弹道倾角曲线. 16 图 2.6 标准弹道大气密度变化曲线. 17 图 2.7 标
10、准弹道引力加速度变化曲线. 17 图 2.8 轴向力、法向力和俯仰力矩系数曲线图（舵偏 0 度和舵偏-20 度）. 29 图 2.9 发动机地面试车推力曲线. 29 图 2.10 纵向扰动运动方程各项系数曲线图. 30 图 2.11 动压数值曲线. 34 图 2.12 飞行器纵向阶跃响应图. 35 图 2.13 亚轨道飞行器滚转通道 x M K曲线图 36 图 2.14 亚轨道飞行器滚转通道 x M T曲线图 . 36 图 3.1 PID神经网络结构. 38 图 3.2 连续型Hopfield网络. 41 图 3.3 基于CHNN的PID控制结构 . 43 图 3.4 p k优化过程 46 图
11、 3.5 i k 优化过程 . 46 图 3.6 d k 优化过程 46 图 3.7 6.5s时刻系统单位阶跃响应曲线图. 47 图 4.1 俯仰通道控制方案. 48 图 4.2 亚轨道俯仰通道的阶跃响应图. 50 图 4.3 滚转通道控制方案. 51 图 4.4 亚轨道滚转通道系统的阶跃响应. 52 图 4.5 亚轨道飞行器运动模型. 53 图 4.6 环境模型. 53 图 4.7 亚轨道飞行器控制模块. 54 图 4.8 亚轨道飞行器单片舵机环节. 54 图 4.9 亚轨道飞行器全数值仿真模型. 54 图 4.10 亚轨道飞行器滚转通道 2s时刻 1、5阶跃信号控制仿真结果 55 图 4.
12、11 亚轨道飞行器俯仰通道 2s时刻 1、5阶跃信号控制仿真结果. 56 图 4.12 亚轨道飞行器偏航通道 2s时刻 1、5阶跃信号控制仿真结果 57 图 4.13 亚轨道飞行器滚转角跟踪曲线图. 57 图 4.14 亚轨道飞行器滚转跟踪指令等效舵偏图. 58 图 4.15 亚轨道飞行器俯仰角跟踪曲线图. 58 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.16 亚轨道飞行器偏航角跟踪曲线图. 59 图 4.17 亚轨道飞行器俯仰通道等效舵偏图. 59 图 5.1 固体火箭 x M K数值曲线 60 图 5.2 固体火箭 x M T数值曲线 . 61 图 5.3 固体火箭滚转通道
13、控制方案. 61 图 5.4 固体火箭滚转通道结构图. 61 图 5.5 固体火箭系统的阶跃响应和根轨迹图. 63 图 5.6 固体火箭运动模型. 63 图 5.7 固体火箭控制模块. 64 图 5.8 固体火箭舵机环节. 64 图 5.9 固体火箭全数值仿真模型. 64 图 5.10 固体火箭 5S时刻 1、5、10阶跃信号控制仿真结果 65 图 5.11 固体火箭滚转角跟踪及舵偏分析图. 66 图 5.12 四个稳定翼均偏差-1 度时的控制效果图. 66 图 5.13 三个稳定翼均偏差-1 度时的控制效果图. 67 图 5.14 两个稳定翼均偏差-1 度时的控制效果图. 67 图 5.15
14、 一个稳定翼均偏差-1 度时的控制效果图. 67 图 5.16 ARG-80A角速率陀螺 69 图 5.17 三轴转台. 69 图 5.18 固体火箭控制舱段. 69 图 5.19 陀螺测量角速度曲线图. 70 图 5.20 箭体滚转角变化曲线. 70 图 5.21 舵机指令. 70 图 5.22 固体火箭总装图. 71 图 5.23 固体火箭发射图. 71 图 5.24 舵机控制指令图. 72 图 5.25 火箭箭体滚转角曲线图. 72 图 5.26 火箭箭体滚转角速度曲线图. 72 图 5.27 遥测信号合成图. 73 图 5.28 遥测信号滚转角放大图. 74 图 5.29 遥测信号滚转
15、角速度放大图. 74 图 5.30 校验后系统阶跃响应曲线. 75 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页 摘 要 亚轨道飞行是指飞行器在飞行高度上抵达外层空间边缘，但速度尚不足以完 成绕地球轨道运行的一种飞行状态。论文以亚轨道飞行器为研究对象，以工程应 用为最终目的，对亚轨道飞行器上升段姿态控制问题进行了深入研究。 首先，本文根据亚轨道飞行器飞行环境和弹道特点，详细推导出了亚轨道飞 行器的六自由度运动模型，以某型亚轨道飞行器为对象，根据小扰动法对飞行器 的运动模型进行线性化，建立了亚轨道飞行器的纵向扰动运动模型和侧向扰动运 动模型。根据各项总体数据建立了气动力和气动力矩系数计算模型
16、、发动机推力 模型，再根据标准弹道参数对所建立的纵向扰动运动模型和侧向扰动运动模型进 行分析简化，最终建立了便于工程计算的亚轨道飞行器纵向扰动运动、侧向扰动 运动和滚转扰动运动简化方程，根据各通道扰动运动方程，对亚轨道飞行器的动 力学特性进行了仿真分析。 然后，结合神经网络的理论知识，研究和分析了神经网络与 PID 结合的几种 方式及其学习算法，对 PID 控制和神经网络相结合的控制算法进行研究，建立了 基于 CHNN 的 PID 控制器参数优化模型，并以亚轨道飞行器滚转通道 PID 控制器 设计为例，给出了调节时间短、超调量小的 PID 参数。 接着，利用前文建立的亚轨道飞行器三通道数学模型进行数值求解，根据各 通道定点数学模型进行基于 CHNN 的 PID 控制器参数优化设计，构建了控制系统 仿真软件平台，对亚轨道飞行器进行六自由度仿真，分析了亚轨道飞行器上升段 的姿态控制相关性能。 最后，为验证前文数学建模方法，建立了固体火箭（侧重于
