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1、上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _JDAM 制导滑翔弹_飞行控制系统设计 学 院 电气学院 专 业 自动化 班 级 BG1107 学 号 111001210742 姓 名 王涛 指导教师 朱晨烜 定稿日期： 2015 年 01 月 20 日JDAM 制导滑翔弹飞行控制系统设计摘要：在我国军事斗争急需提高武器装备质量的前提下，JDAM（Joint Direct Attack Munition）制导滑翔弹作为一种低成本、高精度的常规炸弹，在现代战争中扮演着重要的角色，有重大的研究意义。本文对 JDAM 制导滑翔弹的飞行控制系统进行研究和设计，确定控制系统的组成和结构，最后分析了系统的
2、操作稳定特性。关键词：飞行控制系统，自动控制原理，偏差，模糊 PID1.文献综述现代战争对国家经济实力的一个巨大的考验，在追求高效费比的战场上，大量库存的无制导散射炸弹已是鲜有用武之地 13。JDAM（Joint Direct Attack Munition）联合制导攻击武器是由波音公司为美国海军和空军联合开发的一种空投炸弹配件，装在飞机的传统炸弹上，利用惯性导航系统和卫星定位系统引导，将本来无控的传统航空炸弹转变为可控，并使其成为能够在恶劣的气象条件下使用的精确制导武器。其组成包括有效载荷(炸药装药)、引信、制导控制部件（GCU）、尾锥体整流罩、舵机、尾部控制舵面、组合挂架和翼固定组件等27
3、。弹药的制导功能是由炸弹尾翼控制附件以及全球定位系统或惯性导航系统提供，与美军的 B-2幽灵战略轰炸机等多种军用飞机的火控系统相容 3。图1-1 JDAM制导滑翔弹值得一提的是像SDB（(Small Diameter Bomb）小圆径航空制导炸弹这样的空面杀伤兵器。它是美国航空武器中心和空军研究试验室牵头开发的一种新型武器。SDB小圆径制导炸弹的体积是空军现役最小型炸弹的一半，可以使飞机携带更多的弹药，攻击指挥控制掩体、防空设施、飞机跑道、导弹阵地、火炮阵地等多种目标。它是美军重点发展的精确制导武器之一，也是美空军全球打击部队的重要机载武器。相比于JDAM制导滑翔弹, SDB的直径及附带杀伤较
4、小，主要用于定点清除，但能实质性降低杀伤己方部队的可能性。另外，还有JASSM联合防区外空地导弹，是美国空/海军研制的新一代通用防区外空地导弹，该弹的使命与TSSAM三军防区外攻击导弹相同，主要用来从敌防空区外距离精确打击严密设防的高价值目标，如敌指挥、控制、通信、计算机和情报的主要节点、发电厂、工业设施、重要桥梁、弹道导弹发射架和舰船等目标，同时要求导弹本身具有雷达隐形能力。JASSM可从敌防空区域以外发射，杀伤地(水)面目标、半硬目标、软目标和面目标；它具有隐身、远程、精确和通用这些 21世纪武器装备的基本特征；采用全球定位系统(GPS)辅助的惯性导航系统，抗干扰的GPS航迹偏差调零控制天
5、线系统。精确制导能力足以摧毁高价值目标，而无需飞机驾驶员去冒飞过目标区凌空轰炸的风险。同时导弹弹体采用隐身设计，不易被敌方防空火力拦截。较于JDAM制导滑翔弹，JASSM巡航导弹自带动力推进，射程更远。相比之下，三种导弹各有其优势、特点，而我认为JDAM制导滑翔弹更适合我国的国情，即在普通航弹上加装导引装置组件，就可以使普通航弹具备精确攻击能力，不带推进动力，在滑翔过程中准确导向目标、击毁目标。其精度高、成本低的特点使其成为我国最具战略意义的精确制导武器之一。现代战争对导弹的机动性、快速性及突防能力的要求越来越高，对其控制系统也提出了更高的要求。传统的线性方法已经不能满足这种要求。最近几十年来
6、，人们不断努力研究各种非线性自适应控制理论。大量的非线性自适应控制研究都是利用了神经网络或模糊逻辑逼近非线性光滑函数能力，这样就可以在缺乏系统动态知识的情况下，实现对系统的控制。传统的控制方法是在固定工作点将导弹系统线性化，再应用比较成熟的古典控制理论来实现对导弹的控制。在初始设计时，先忽略三通道间的耦合，利用频率法和根轨迹法独立设计三通道的自动驾驶仪，要求俯冲和滚动通道满足设计要求，偏航通道的响应速度至少与滚动通道一样快，制导系统产生俯仰加速度和滚动角命令，偏航通道起协调作用，实现对导弹的控制。现代控制理论的发展为解决像导弹这样复杂的多输入多输出系统的控制问题提供了新的方法。利用系数冻结法，
7、即假设滚转角速度的变化足够慢，从而可以冻结为常数，把非线性模型线性化，得到两个线性子系统，一个是独立的滚转通道子系统，另一个是由俯仰偏航通道组成的，之后加入耦合模型，对俯仰偏航模型进行设计。鲁棒控制理论因其抑制能力而引起人们的关注，但应用鲁棒控制理论解决控制问题过程繁琐，实现也较困难 17。神经网络和模糊逻辑因具有良好的逼近非线性函数的能力，已经广泛应用到导弹控制系统设计中。应用智能控制理论设计的导弹控制系统因为考虑了系统动态的非线性，因此比一般的设计方法往往能提供更好的性能。但这种设计方法相对于其他线性或非线性方法算法复杂，实现也较难 24。随着现代战争对导弹控制系统要求的提高，导弹自动驾驶
8、仪设计越来越多的需要考虑系统的非线性。反馈线性化是近年来引起人们极大研究兴趣的一种重要的非线性控制设计方法。其基本思想是通过反馈，将一个非线性系统的动态特性全部或部分地变换成线性的动态特性，从而可以应用成熟的线性控制的方法进行控制。未来高技术条件下的战争对精确制导武器的需求将更加迫切，JDAM制导滑翔弹的地位和作用将更加突出。大力发展我国的JDAM具有十分重要的军事意义和现实意义。2.选题背景及其意义在核武器以及其它现代化高科技武器的威胁下，高新科学技术在战争中的应用使武器系统、军队结构、战争方法、指挥手段及战争样式等各个方面发生革命性变化。用高新科学技术改造常规武器，使坦克、飞机、大炮、舰艇
9、等装上现代化的翅膀，跻身于新技术之林 15。上世纪九十年代，美军针对第三代激光制导炸弹在战争巾暴露出来的各种缺点，往现役普通炸弹上加装惯性卫星定位(INSGPS)制导装置，而发展的一种低成本、高精度的常规炸弹JDAM制导滑翔弹，是具有昼/夜、全天候、防区外、投射后不管、多目标攻击能力的第四代制导炸弹。JDAM作为一种低成本、高精度的常规炸弹应运而生。它始于20世纪80年代末的美国海/空军计划实施的“先进炸弹系列”研究计划，改善并提高了美军MK-83、MK-84、BLU-109等炸弹。1991年海湾战争之后，美军开始实施“恶劣天气用精确制导炸弹”计划，于1997年研制出第一枚JDAM，并于199
10、8年至1999年期间通过了测试。1999年的科索沃战争中，JDAM首次运用于实战。在2003年的军事演习中，一架B-2轰炸机可一次性的投放80枚500磅的JDAM炸弹，显示出强大的“精确饱和攻击”战力。另外，JDAM在2001年的阿富汗战争及2003年的伊拉克战争也被投入使用。具有自主攻击能力的JDAM制导炸弹，由于不需要飞行员瞄准目标，作战时载机可以在较高的高度飞行，从而保障了飞机和飞行员的安全。更重要的是，由于采用的数字制导方式，轰炸可以在任何气象条件下进行。除了可以由作战飞机从低空、中空、高空实施水平轰炸以外，还可以实施俯冲轰炸和上仰轰炸；既可实施定轴轰炸，也可实施离轴轰炸；既可同时攻击
11、多个目标，也可同时攻击单个目标的不同部位；既可攻击预定的固定目标，也可攻击飞机飞行过程中发现的新目标。现在我国的国防资金投入与发达国家相差很远，2015年我国国防预算支出8720元，约为1410亿美元，但仍远低于美国的国防预算5850亿美元。为了维护国家领土主权完整，我们有必要大力发展一批多兵种通用，且精度、性能高，但费用相对低廉的武器设备。在我国军事斗争急需提高武器装备质量但又资金不足的前提下，大力发展我国自主研发的JDAM制导滑翔弹有重要的现实研究意义，而目前国内对于此类武器的研究工作还相对匮乏。本文将对JDAM制导滑翔弹的飞行控制系统进行研究和设计。飞行控制系统（简称飞控系统）是指飞行器
12、在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。作为以飞行器为被控对象的控制系统，它的核心功能是稳定与控制飞行器的姿态和航迹运动。近年来，随着航空技术的快速发展，飞行器承担的任务使命逐步增加，飞行控制系统开始向着航空综合化系统的方向发展，它把飞行控制、火力控制、目标探测、导航系统、显示系统等耦合成综合飞行管理系统，使得这些系统更好的协同工作以完成飞行任务。与此相对应，飞控系统的规模越来越大，系统结构、功能、行为及数据交联关系越来越复杂，已经发展成为一种涉及机械、电子、液压和软件等多个学科领域的复杂反应型系统。3.研究内容3.1.飞行控制系统自动飞行控制系统
13、已有一百多年的研究历史，早在有人驾驶飞机出现之前，自动飞行装置就已经问世。但是，由于早期的飞机飞行速度较慢，飞机本身具有自然安定性，驾驶员也习惯于人工驾驶飞机，所以到20世纪30年代以前，自动飞行控制系统不被人们所重视。第二次世界大战以后，随着飞行包线的扩大，飞行器和自动控制器的设计出现了许多意想不到的问题，比如滚动不稳定问题，由于自动控制系统引起的结构不稳定问题等，从而带来了新的控制问题。这时，人们才意识到把飞行稳定性、控制系统设计与飞行动力学、自动控制理论结合起来。将自动控制理论和飞行控制系统的设计相结合后你，情况有了很大改善。JDAM制导滑翔弹自动控制系统目的是要对滑翔弹实现控制。当滑翔
14、弹受到干扰偏离预定弹道时，控制设备立即测出偏差，并输出与偏差成正比的信号，使舵面偏转，对滑翔弹进行稳定，从而消除弹道偏差。控制设备中控制信号的作用，是使滑翔弹实现爬高、下滑、或改变航向。在自导段需要滑翔弹攻击目标时，控制设备立即接受控制信号，使舵面相应偏转，操纵滑翔弹跟踪目标，最后击毁目标。其自动控制系统由两部分组成：一时控制对象；二是控制器。控制对象是滑翔弹，控制器是自动驾驶仪或惯性控制设备，系统基本组成结构如图3-1所示。控制对象控制器输入量输出反馈控制量 被控量干扰图 3-1 自动控制系统基本组成结构图有图 3-1 可知，滑翔弹自动控制系统是闭环控制，一般有以下基本元件组成：校正装置：由
15、调节规律决定的微分、积分、放大等原件组成，通常称为 PID 控制元件，用于改善系统的动、静态特性。放大元件：常用的有继电放大器、集成电路放大器等，用于综合、放大、变换控制信号。执行机构：常用的有电动舵机伺服系统等，用以操纵舵面，稳定与控制滑翔弹飞行。滑翔弹：是控制对象，输出被控量。反馈装置：常用的有电位计、测速机等，用于改善伺服系统回路的动态性能。姿态敏感元件：常用的有惯导平台或陀螺仪，用来测量被控对象的姿态运动参数。质心敏感元件：常用的有加速度计等，用来测量控制对象质心运动参数。滑翔弹自动控制系统的输入信号有两种：一种是控制输入，另一种是干扰输入。控制输入是有用输入，控制系统的输出按控制规律实现对控制输入的响应，这种响应应该满足系统性能指标要求；干扰输入是有害输入，它破坏有用输入信号对系统输出的控制。是不希望的外作用。控制系统对干扰输入必须进行有效的抑制，系统抗干扰性能的强弱是衡量系统品质优劣的重要指标之一。3.2制导滑翔弹飞行力学特性滑翔弹在空间的运动是一个非常复杂的动力学问题，一般要用一组非线性、变系数微分方程来描述。求解这样复杂的高阶微分方程只有依靠大容量的计算机，用数值积分法经长时间计算才能完成。这种计算方法虽然考虑问题全面，但计算难度大，计算系数多，工程上难以实现。为了简化工程设计过程，忽略运动交感、气动交感和运动交感对滑翔弹的影响，把滑翔弹的空间运动分解为纵向运动
