遠程防空導彈飛行控制方法研究（簡體書）

本書系統地介紹了遠程防空導彈設計中有關控制、制導和彈道問題，內容主要包括防空導彈控制技術發展、控制系統設計一般性準則、擺動噴管在防空導彈上的應用、基於參數辨識的自適應控制方法、稀薄大氣層直氣復合控制方法、直氣復合控制穩定性分析方法、多操縱機構復合控制方法、變外形控制技術、基於能量約束的初中制導方法、遠程防空導彈滑躍彈道設計方法、多約束協同中制導彈道規劃方法等。本書可為從事防空導彈控制系統工程技術的科研人員提供系統論證、設計和工程應用的輔助，也可為航空航天相關專業的高等院校師生提供方法研究的參考。

魏明英，新型防空導彈武器技術領域帶頭人、直接側向力/氣動力復合控制技術帶頭人，航天科工集團二院研究員；長期從事導彈總體及制導控制技術研究，主持完成了首型新領域防空導彈技術研究，完成了首次新型防御飛行試驗，推動了防御作戰理念創新。主持了直接側向力/氣動力復合控制應用基礎研究，構建了末段高精度防御制導控制技術研究方法體系，成功應用於末段防御技術研究，為國家防御體系建設作出重大貢獻。

系統地介紹了遠程防空導彈設計中有關控制、制導和彈道問題

☆系統地介紹了遠程防空導彈設計中有關控制、制導和彈道問題
☆可為從事防空導彈控制系統工程技術的科研人員提供系統論證、設計和工程應用的輔助
☆可為航空航天相關專業的高等院校師生提供方法研究的參考

序

現代戰爭對防空導彈的綜合性能要求越來越高，尤其是為了破襲敵空中防區外攻擊體系，打擊其預警機、加油機等核心支點，防空導彈的射程需不斷向遠程拓展。但遠程飛行並非簡單增加推進劑即可實現，在防空導彈武器系統對導彈彈徑、重量、發射裝置載彈量等多種因素綜合約束下，其主要技術途徑是利用大氣高層作為飛行走廊，規劃飛行彈道軌跡，快速抵達目標區域，拒敵於千裡之外。實踐證明，這一技術體制在解決一系列關鍵技術問題的基礎上，可有效支撐防空導彈的擴遠設計。
首先，導彈在大氣層內長時間高速飛行，彈體與大氣不斷摩擦產生熱量，引起彈體溫度持續升高，這將導致彈體的彈性模態越來越偏離其常溫狀態，如果不妥善處理，將嚴重影響控制性能，甚至導致彈體失穩；其次，導彈在遠程飛行過程中，空域和速域均大範圍變化，伴隨著大量的外界干擾和參數不確定性，這些因素均會對彈道特性產生影響，加之積分效應，射程越遠，影響越大；再者，在大氣高層飛行時，由於空氣稀薄，氣動控制力有限，為了滿足機動性要求，一般需要配備姿控/軌控發動機、推力矢量控制等附加執行機構，或者采取導彈變外形的敏捷機動技術，這些措施在提高導彈機動能力和操穩特性的同時，也使得控制系統結構複雜化，並導致較強的多維耦合特性；最後，遠程防空導彈的作戰縱深大，制導鏈路長，中末制導交班時自主截獲更難，需要研究多彈協同探測和彈道規劃問題，借助於多飛行器協同的思路來提升系統能力。
本書系統地介紹了遠程防空導彈設計中有關控制、制導和彈道問題的解決途徑，是國內首次系統闡述遠程防空導彈設計技術的專著。導彈總體、制導控制等相關專業的研究生和初涉防空導彈領域的設計人員，通過閱讀本書可以比較全面地了解遠程防空導彈的設計理論與工程方法。本書亦可供多年工作在該領域的科研人員參考。

2022年8月前言

目錄

第1章緒論1
1.1控制理論及思想的某種追溯1
1.1.1控制論由來1
1.1.2控制理論方法在工程應用中的幾點認識3
1.2防空導彈控制技術發展6
1.3遠程防空導彈飛行控制面臨的主要技術難點7
1.3.1跨空域跨速域自適應控制7
1.3.2多操縱機構復合控制7
1.3.3遠程飛行彈道設計8
1.3.4遠程防空多彈協同探測制導彈道規劃8
1.3.5變外形控制技術8
1.4本章小節9第2章準備知識10
2.1引言10
2.2坐標系及轉換關係10
2.2.1坐標系定義10
2.2.2坐標系轉換關係10
2.3導彈運動模型14
2.3.1導彈質心運動的動力學方程14
2.3.2導彈繞質心轉動的動力學方程19
2.3.3導彈質心運動的運動學方程21
2.3.4導彈繞質心轉動的運動學方程21
2.3.5導彈單通道姿態運動簡化模型23
2.4相平面控制理論簡介24
2.5滑模變結構控制理論簡介26
2.5.1滑模變結構控制系統的定義27
2.5.2滑模變結構控制的到達條件27
2.5.3限制S·的趨近律法求取滑模變結構控制27
2.5.4滑模變結構控制系統的不變性和抖振問題28
2.6自適應控制方法簡介29
2.6.1自適應控制的發展情況29
2.6.2模型參考自適應控制系統30
2.6.3自校正控制系統31
2.6.4基於神經網絡的自適應控制系統31
2.6.5基於模糊邏輯的自適應控制31
2.6.6無模型自適應控制32
2.6.7全系數自適應控制32
2.6.8其他自適應控制方法32
2.7本章小結32第3章防空導彈控制系統設計一般性準則33
3.1引言33
3.2穩定控制系統設計的一般性準則33
3.2.1制導控制系統對穩定回路指標的一般要求34
3.2.2導彈操縱性及穩定性選擇34
3.2.3導彈頻率規劃設計34
3.3穩定控制系統設計的一般要求36
3.3.1穩定設計一般方法36
3.3.2阻尼控制回路36
3.3.3過載控制回路37
3.4初制導段控制系統設計37
3.4.1穩定控制結構選擇37
3.4.2設計思想38
3.5中制導段穩定控制系統設計41
3.5.1俯仰偏航回路穩定系統結構圖選擇41
3.5.2滾動回路結構圖的選擇42
3.5.3設計方法42
3.6氣動力控制下姿態跟蹤古典控制律設計44
3.6.1三通道解耦控制系統模型44
3.6.2俯偏通道姿態跟蹤古典控制律設計45
3.6.3滾動穩定古典控制律設計47
3.7利用正交試驗考查系統魯棒性49
3.8本章小結49第4章擺動噴管在遠程防空導彈上的應用50
4.1引言50
4.2擺動噴管伺服系統的應用與建模50
4.2.1擺動噴管種類50
4.2.2伺服機構種類52
4.2.3擺動力矩計算方法54
4.2.4擺動噴管伺服系統地面試驗55
4.2.5擺動噴管伺服系統建模56
4.3基於擺動噴管控制的彈體彈性模型56
4.3.1彈性彈體動力學方程一般描述56
4.3.2作用在彈體上的廣義力57
4.3.3彈性彈體模型57
4.4基於擺動噴管彈體穩定控制的幾個問題58
4.4.1彈性振動穩定方法59
4.4.2伺服機構安裝方式帶來的控制影響60
4.4.3擺角指令限幅處理60
4.5基於擺動噴管的彈體轉彎控制方法61
4.5.1攝動制導轉彎61
4.5.2閉路制導轉彎62
4.6本章小結63第5章基於參數辨識的自適應控制方法64
5.1引言64
5.2非線性系統可觀性分析理論64
5.3導彈控制系統氣動參數在線辨識67
5.3.1氣動控制導彈運動模型的線性化67
5.3.2氣動力矩動力系數估計模型及可觀性分析68
5.4彈性干擾信號的測頻及濾波73
5.4.1FFT和CZT聯合測頻算法的用途和基本設計思路73
5.4.2FFT和CZT聯合測頻算法原理74
5.4.3FFT和CZT聯合測頻算法仿真結果75
5.4.4彈性頻率濾波器設計79
5.4.5彈性濾波器工程實現80
5.5引入角加速度計的彈體彈性信號在線估計方法82
5.5.1引入角加速度計的目的82
5.5.2引入角加速度計的系統狀態模型和可觀性分析82
5.5.3引入角加速度計系統的Kalman濾波器88
5.6基於氣動特性已知的彈性信號頻率在線估計方法96
5.6.1氣動力矩模型與彈體彈性變形模型96
5.6.2基於氣動力矩模型的彈體彈性信號頻率估計系統可觀性分析96
5.6.3基於氣動力矩模型的彈性信號頻率估計濾波器設計（UKF）97
5.6.4基於氣動力矩模型的彈體彈性信號頻率估計仿真分析99
5.7基於彈性頻率和氣動特性未知的聯合在線估計方法104
5.7.1彈性頻率和動力系數聯合估計可觀性分析104
5.7.2彈性頻率和動力系數聯合估計仿真分析106
5.8基於氣動參數辨識的自適應姿態控制律設計111
5.8.1俯仰通道氣動參數實時估計濾波器及自適應控制律111
5.8.2滾轉通道干擾實時估計濾波器和自適應控制律114
5.8.3姿態自適應控制系統仿真115
5.9本章小結120第6章稀薄大氣層直接側向力/氣動力復合控制方法121
6.1引言121
6.2直接側向力/氣動力復合控制導彈概述121
6.2.1姿控方式121
6.2.2軌控方式122
6.2.3姿軌控方式122
6.3稀薄大氣層攔截器姿控系統設計方法123
6.3.1姿控系統相平面控制器設計方法123
6.3.2姿控系統準滑模控制器設計方法125
6.3.3姿控系統相平面控制與準滑模控制仿真研究126
6.3.4姿控系統切換控制設計方法研究130
6.4軌控式直接側向力/氣動力復合控制方法研究138
6.4.1氣動力控制系統設計138
6.4.2軌控式直接側向力/氣動力復合控制系統方案141
6.4.3基於滑模變結構的攻角抗干擾控制方法142
6.4.4基於推力分檔的軌控發動機開啟策略研究147
6.4.5軌控式直接側向力/氣動力復合控制結果及分析151
6.4.6軌控式直接側向力/氣動力復合控制系統穩定性分析156
6.5基於軌控式直接側向力/氣動力復合控制的導引方法研究169
6.5.1軌控式直接側向力/氣動力復合控制導彈的制導控制過程169
6.5.2基於軌控式直接側向力/氣動力復合控制的導引方案研究170
6.5.3導彈-目標相對運動171
6.5.4修正的比例導引172
6.5.5變結構導引173
6.5.6仿真研究及精度分析174
6.6本章小結181第7章直接力/氣動力復合控制系統穩定性分析方法183
7.1引言183
7.2基於經典控制理論的直接力/氣動力復合控制穩定性分析183
7.2.1靜穩定彈體傳遞函數184
7.2.2靜不穩定彈體傳遞函數185
7.2.3復合控制系統靜穩定點特性分析186
7.2.4復合控制系統靜不穩定點特性分析189
7.2.5單獨直接力控制時的靜不穩定點特性分析192
7.2.6對復合控制系統在靜不穩定點特性的深入分析193
7.3脈衝發動機“取整—飽和”硬非線性環節對復合控制系統的影響196
7.3.1脈衝發動機“取整—飽和”硬非線性環節的數學描述196
7.3.2脈衝發動機“取整—飽和”非線性特性對復合控制系統的影響分析198
7.3.3實例分析200
7.4脈衝發動機離散動態特性及“取整量化”誤差對復合控制系統的
穩定性影響分析202
7.4.1脈衝發動機離散動態特性和“取整量化”誤差的數學描述202
7.4.2脈衝發動機離散動態特性及量化誤差對控制系統的穩定性影響分析205
7.4.3實例分析211
7.5本章小結213第8章導彈多操縱機構復合控制方法214
8.1引言214
8.2多維異構復合控制動力學模型214
8.2.1多維異構導彈縱向通道模型214
8.2.2多維異構導彈側向通道模型217
8.3採用開關式直接力的多維異構復合控制律設計219
8.3.1多維異構導彈舵偏角最優控制律219
8.3.2多維異構導彈直接力滑模控制律220
8.3.3仿真驗證223
8.4採用脈衝式直接力的多維異構導彈復合控制律設計226
8.4.1採用脈衝式直接力多維異構導彈復合控制律226
8.4.2仿真驗證230
8.5本章小結233第9章淺談變外形控制技術235
9.1引言235
9.2變外形應用模式235
9.2.1變外形在飛機上的應用235
9.2.2變外形在導彈上的應用237
9.3變後掠翼飛行控制器設計思路238
9.3.1基於自適應滑模的控制器設計思路238
9.3.2變外形與飛行協調控制思路240
9.4變外形技術在遠程防空導彈上的應用241
９.5本章小結242第10章基於能量約束的初中制導方法243
10.1引言243
10.2初始轉彎最優制導律研究243
10.2.1導彈到預測位置點的縱向相對運動模型244
10.2.2基於導彈預測位置點的最優制導律245
10.2.3控制量權重系數自適應時變的最優制導律248
10.3中制導段最優制導律研究253
10.3.1建立相對參考線的運動模型253
10.3.2體現末值約束的線性系統最優問題解算方法255
10.3.3攔截彈多約束能量最優制導律257
10.3.4仿真比較260
10.4本章小結262第11章遠程防空導彈滑躍彈道設計方法 263
11.1概述263
11.2遠程防空導彈滑躍彈道特性及設計要素263
11.2.1桑格爾彈道264
11.2.2錢學森彈道264
11.2.3遠程防空滑躍彈道264
11.3遠程防空滑躍彈道設計方法265
11.3.1理論彈道計算265
11.3.2滑躍起始點控制271
11.3.3滑躍控制律設計272
11.3.4滑躍終止點控制273
11.4小結273第12章中制導末段多約束多彈協同彈道規劃方法274
12.1概述274
12.2基於速度預測的縱平面中制導末段多彈協同規劃方法274
12.2.1考慮攻角及馬赫數變化的阻力系數模型274
12.2.2中制導末段協同彈道約束275
12.2.3 基於改進粒子群的協同參數優化277
12.2.4中制導末段協同彈道規劃算法279
12.2.5仿真分析279
12.3中制導末段多彈協同三維彈道規劃方法285
12.3.1三維中制導末段協同彈道約束及指標函數285
12.3.2 三維中制導末段協同彈道規劃子過程劃分及簡化模型286
12.3.3 基於高斯偽譜法的中制導末段協同三維彈道規劃方法286
12.3.4仿真分析287
12.4小結290參考文獻291