空地飛彈制導控制系統設計

《空地飛彈制導控制系統設計》是2019年中國宇航出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：空地飛彈制導控制系統設計
• 作者：王明光
• 類別：工業技術類圖書
• 出版社：中國宇航出版社
• 出版時間：2019年12月
• 開本：16 開
• 裝幀：精裝
• ISBN：9787515917542

內容簡介

樞神經”，直接影響飛彈的性能和可靠性。隨著科技的進步，制導控制系統設計已發生了巨大的變化。本著“物有本末、事有終始，知所先後，則近道也”的宗旨，本書詳細闡述制導控制系統設計所涉及眾多知識點的基本原理、優缺點及套用範圍，在此基礎上結合工程設計，闡述具體彈道、制導、導航與姿控設計的方案、理論依據及理論驗證，*後以實例的方式說明設計過程、仿真及結果分析與理論總結。使讀者真正深入理解制導控制系統的本質，做到“知其然知其所以然”，只有這樣才能“隨意”以創新的方式設計出一個性能優良的制導控制系統。

本書在深入介紹制導控制系統底層知識的同時著重介紹制導控制系統設計前沿技術，全面深入地闡述制導控制系統的組成、被控對象特性、彈道設計、慣性導航系統設計、制導系統設計、導引彈道設計、縱向控制迴路設計、滾轉控制迴路設計、基於自抗擾控制技術控制迴路設計、基於現代控制理論控制迴路設計、控制仿真技術、控制系統輔助軟體設計等，並對彈體翻滾控制、靜不穩定控制、傾斜轉彎控制技術、垂直打擊技術、目標定位技術等專項制導控制技術進行系統而深入的介紹及分析。

本書面向航空航天類在校學生及科研單位從事制導武器制導控制系統設計的研究人員。

圖書目錄

目錄

第1章制導控制系統概述1

1.1空地制導武器概述1

1.1.1定義1

1.1.2分類1

1.1.3組成2

1.1.4作用10

1.1.5發展歷程及趨勢11

1.2制導控制系統簡介17

1.2.1定義18

1.2.2組成及系統框圖18

1.2.3功能20

1.2.4設計指標21

1.2.5研製階段劃分23

1.2.6在總體設計中所處地位26

1.3制導律和控制律介紹28

1.3.1制導律29

1.3.2控制律33

1.4本書特色38

參考文獻41

第2章彈體對象43

2.1引言43

2.2空氣動力學基礎43

2.2.1大氣簡介43

2.2.2氣體特性46

2.2.3空氣動力學基本概念及基本方程52

2.2.4不可壓縮流及庫塔儒科夫斯基定理65

2.2.5低速附面層70

2.2.6熱力學基本定律71

2.2.7翼型氣動特性86

2.2.8彈翼氣動特性105

2.3氣動布局設計113

2.3.1氣動外形分類114

2.3.2主要的氣動布局及特性116

2.3.3氣動舵面布局121

2.4氣動特性及設計指標124

2.4.1縱向氣動特性及設計指標124

2.4.2橫側向氣動特性及設計指標144

2.5風洞試驗數據處理146

2.5.1多元表格差值法146

2.5.2公式化法147

2.6氣動布局設計舉例148

2.7坐標系定義及轉換152

2.7.1坐標系定義153

2.7.2坐標系轉換153

2.8彈體運動狀態方程157

2.8.1力和力矩158

2.8.2彈體動力學方程165

2.8.3彈體運動學方程168

2.8.4彈體質量特性變化方程169

2.8.5角度幾何關係式170

2.8.6操縱關係式171

2.9彈體的縱向運動和橫側向運動173

2.10彈體縱向動態特性分析174

2.10.1縱向擾動方程組175

2.10.2彈體傳遞函式180

2.10.3動力係數對傳遞函式的影響188

2.10.4被控對象可控性和可觀性分析193

2.10.5自由擾動運動196

2.10.6縱向操縱運動199

2.10.7小擾動假設的缺陷200

2.11彈體橫側向動態特性分析200

2.11.1橫側向擾動方程組201

2.11.2彈體傳遞函式204

2.11.3動力係數對傳遞函式的影響216

2.11.4被控對象可控性和可觀性分析218

2.11.5自由擾動運動219

2.11.6橫側向穩定概念及穩定邊界221

2.11.7滾動干擾力矩223

2.11.8滾動控制迴路可控性分析224

2.12特徵彈道和特徵點選取原則225

參考文獻229

第3章彈道設計230

3.1引言230

3.2彈道設計任務231

3.3彈道設計作用231

3.4彈道設計原則231

3.5彈道設計主要階段232

3.5.1方案論證階段232

3.5.2初步設計階段233

3.5.3技術設計階段233

3.5.4飛行試驗階段234

3.5.5設計定型階段235

3.6方案彈道設計235

3.6.1縱向平面內的方案彈道236

3.6.2俯仰角程式238

3.6.3攻角程式239

3.6.4高度程式242

3.6.5法向過載程式243

3.6.6彈道傾角程式245

參考文獻247

第4章捷聯慣性導航系統設計248

4.1引言248

4.2基本規定249

4.3坐標系及轉換矩陣250

4.3.1坐標系定義250

4.3.2坐標系轉換252

4.4地球模型254

4.4.1地球幾何形狀及WGS84坐標系254

4.4.2緯度和高度255

4.4.3地球曲率半徑256

4.4.4地球重力模型257

4.4.5地心繫坐標與地理經緯度、高度的變換關係258

4.5慣性測量單元259

4.5.1加速度計259

4.5.2陀螺262

4.5.3慣組指標267

4.6慣性導航基本方程269

4.7捷聯慣性導航的力學編排270

4.7.1慣組誤差補償272

4.7.2姿態解算273

4.7.3速度解算286

4.7.4位置解算287

4.7.5高度通道設計289

4.8捷聯慣性導航誤差分析292

4.9初始對準300

4.9.1解析粗對準301

4.9.2自主式初始對準302

4.9.3水平初始對準302

4.9.4方位羅經初始對準309

4.10確定初始條件310

4.11導航仿真310

4.12小結315

附錄例41原始碼316

參考文獻318

第5章制導系統設計基礎319

5.1引言319

5.2制導系統的定義、功能及組成319

5.3制導系統分類321

5.3.1非自動尋的制導321

5.3.2自動尋的制導330

5.3.3複合制導332

5.4導引頭333

5.4.1分類、組成、功能及工作狀態334

5.4.2穩定平台337

5.4.3跟蹤系統341

5.4.4光學制導343

5.4.5紅外製導349

5.4.6紅外點源制導361

5.4.7紅外成像制導371

5.4.8電視制導395

5.4.9雷射半主動制導398

5.4.10被動雷達制導415

5.4.11導引頭測試434

5.5伺服式導引頭輸出信息坐標轉換442

5.6捷聯式導引頭444

5.6.1優缺點444

5.6.2適用範圍445

5.6.3彈目視線角定義446

5.6.4姿態隔離算法447

5.6.5視場分配448

5.7制導系統的發展趨勢462

附錄1MATLAB仿真程式463

附錄2反輻射戰術飛彈靶標誘餌系統463

附錄3C代碼模組466

參考文獻470

第6章導引彈道設計471

6.1引言471

6.2選擇導引律基本原則471

6.3目標運動特性472

6.4飛行彈道分段及制導時序472

6.4.1飛行彈道分段472

6.4.2制導時序474

6.5彈體與目標之間的運動學及導引關係475

6.5.1彈體與目標之間的運動學475

6.5.2導引關係478

6.6導引原理479

6.7追蹤法479

6.7.1追蹤法解析解480

6.7.2追蹤法擊中目標的條件及彈道特性482

6.7.3追蹤法彈道的穩定性485

6.7.4追蹤法工程實現487

6.7.5追蹤法的優缺點及套用487

6.7.6追蹤法的改進形式488

6.8平行接近法493

6.8.1平行接近法彈道過載特性494

6.8.2平行接近法優缺點及套用494

6.9比例導引法495

6.9.1比例導引法簡介495

6.9.2比例導引法分類499

6.9.3比例導引法解析解504

6.9.4比例導引法傳遞函式505

6.9.5干擾量特性507

6.9.6理想比例導引法508

6.9.7比例導引法穩定性分析510

6.9.8比例係數K的選擇514

6.9.9比例導引法工程實現520

6.9.10比例導引法的優缺點及套用520

6.10修正比例導引法520

6.10.1主動補償項521

6.10.2被動補償項522

6.11末段零視線角速度比例導引法522

6.11.1干擾量修正原理522

6.11.2基於擴展狀態觀測器ESO的修正比例導引法523

6.12末段零制導量比例導引法527

6.12.1干擾量修正原理528

6.12.2干擾量直接補償法530

6.12.3視線角加速度補償法532

6.12.4ESO修正q¨534

6.13制導精度分析538

6.13.1制導精度的概念538

6.13.2制導精度影響因素539

6.13.3圓機率誤差計算541

6.13.4命中機率計算542

6.14科氏加速度和牽連加速度對制飛彈道的影響543

6.15終端角度約束制導律設計547

6.15.1終端角度約束簡介547

6.15.2縱向平面內終端角度約束制導律設計548

6.15.3橫側向平面內終端角度約束制導律設計555

參考文獻559

第7章控制系統設計基礎560

7.1引言560

7.2控制系統定義560

7.3控制系統功能561

7.4控制系統組成562

7.5硬體組成563

7.5.1彈載計算機564

7.5.2舵機系統575

7.5.3GPS587

7.5.4大氣測量系統597

7.5.5高度表606

7.6控制系統軟體設計607

7.6.1軟體功能607

7.6.2軟體性能要求608

7.6.3軟體工程609

7.6.4軟體集成開發環境610

7.6.5軟體開發程式語言612

7.6.6主程式框架612

7.6.7軟體測試613

7.7被控對象的特點617

7.7.1模型非線性617

7.7.2模型不確定性618

7.7.3干擾619

7.7.4時變性623

7.7.5耦合特性623

7.7.6結構質量特性變化626

7.8控制系統分類626

7.8.1控制系統結構626

7.8.2控制方法627

7.8.3控制方式628

7.8.4控制通道629

7.8.5控制迴路633

7.8.6制導指令635

7.9控制時序635

7.10穩定性與控制裕度636

7.10.1相位裕度和增益裕度637

7.10.2開環和閉環系統的關係641

7.10.3閉環系統頻域指標與時域指標之間的關聯關係643

7.10.4延遲裕度647

7.10.5靈敏度651

7.11控制系統性能指標655

7.12控制系統設計方法659

7.12.1經典控制系統設計方法介紹659

7.12.2串聯校正661

7.12.3局部反饋校正671

7.12.4串聯校正和反饋校正的區別672

7.12.5前饋校正及複合控制673

7.12.6非線性PID控制679

7.12.7控制參數線上調整680

7.13控制系統測試信號681

7.13.1單點測試681

7.13.2全彈道測試684

7.14數字式飛行控制系統690

7.14.1概述690

7.14.2組成690

7.14.3優點691

7.14.4數字飛行控制設計方法簡介692

7.14.5採樣過程、信號重構、香農採樣定理和採樣頻率694

7.14.6實時性要求695

7.14.7被控對象離散化695

7.15噪聲與數字濾波器701

7.15.1噪聲701

7.15.2信號分析704

7.15.3濾波器簡介及分類707

7.15.4基於脈衝噪聲的數字濾波器設計709

7.15.5經典數字濾波器設計710

7.15.6經典卡爾曼濾波器724

7.15.7擴展卡爾曼濾波器731

7.15.8無跡卡爾曼濾波器735

附錄1舵控迴路的MATLAB程式738

附錄2GPS TLEs軌道參數739

附錄3控制系統C語言編寫格式約定742

附錄4卡爾曼濾波MATLAB程式代碼758

參考文獻761

第8章縱向控制迴路設計762

8.1引言762

8.2阻尼迴路設計和增穩迴路設計763

8.2.1阻尼迴路和增穩迴路工作原理765

8.2.2被控對象選擇766

8.2.3阻尼迴路設計指標767

8.2.4確定阻尼反饋係數768

8.2.5阻尼迴路設計原則及限制因素772

8.2.6全彈道阻尼迴路設計774

8.2.7增穩迴路設計775

8.3外迴路設計776

8.3.1姿態角控制迴路設計776

8.3.2過載控制迴路設計787

8.3.3高度控制迴路設計798

8.3.4彈道傾角控制迴路設計807

8.4影響縱向控制迴路裕度的因素818

附錄例83 MATLAB原始碼822

參考文獻826

第9章滾動控制迴路設計827

9.1引言827

9.2控制迴路特點828

9.3設計指標829

9.4阻尼迴路設計830

9.4.1被控對象選擇830

9.4.2確定阻尼反饋係數831

9.4.3一階和四階彈體模型之間的區別835

9.4.4設計原則與限制因素837

9.5快速姿態控制迴路設計838

9.5.1滾動控制迴路簡介838

9.5.2控制器設計838

9.5.3控制迴路抗干擾特性分析839

9.5.4控制迴路設計的例子840

9.6微小型空地飛彈滾動控制迴路“怪異”現象分析850

9.7基於全彈道的控制迴路設計853

9.8影響滾動控制迴路裕度的因素858

附錄例95 MATLAB原始碼861

參考文獻863

第10章自抗擾控制技術在姿控迴路中的套用864

10.1引言864

10.2自抗擾控制技術簡介864

10.3跟蹤微分器865

10.3.1線性微分器865

10.3.2跟蹤微分器定義866

10.3.3“快速跟蹤微分器”的離散形式869

10.3.4仿真分析870

10.4狀態觀測器874

10.4.1狀態觀測器的定義和選取原則874

10.4.2龍伯格狀態觀測器875

10.4.3線性狀態觀測器879

10.4.4狀態觀測器頻域分析883

10.5擴展狀態觀測器892

10.5.1二階擴展狀態觀測器892

10.5.2三階線性擴展狀態觀測器900

10.6龍伯格狀態觀測器與擴展狀態觀測器的比較905

10.7動態補償技術906

10.8構建擴展狀態觀測器的基本原則908

10.9基於ESO滾動姿控迴路設計909

10.9.1被控對象模型轉換910

10.9.2基於ESO觀測器的控制迴路設計911

10.9.3控制器性能分析916

10.9.4半實物仿真試驗918

10.9.5基於ESO控制的優點和缺點919

10.10基於ADRC縱向控制迴路設計919

10.10.1被控對象模型轉換919

10.10.2自抗擾控制設計921

10.10.3控制器性能分析922

10.10.4半實物仿真試驗923

10.10.5結論925

參考文獻926

·ⅩⅦ·

第11章現代控制理論在姿控迴路中的套用927

11.1引言927

11.2狀態方程和被控對象928

11.3輸出反饋和狀態反饋929

11.3.1輸出反饋930

11.3.2狀態反饋932

11.3.3單輸入系統的極點配置方法933

11.4狀態重構和狀態觀測器934

11.4.1狀態觀測器934

11.4.2降維狀態觀測器936

11.5基於狀態觀測器的狀態反饋設計及套用943

11.5.1基於狀態觀測器的狀態反饋設計943

11.5.2增穩迴路設計945

11.6二次型性能指標的控制947

11.6.1控制簡介和控制解法947

11.6.2二次型性能指標的控制949

11.7基於二次型性能指標的滾動控制迴路控制954

11.8基於二次型性能指標的縱向控制迴路控制959

11.9基於ESO與二次型性能指標滾動控制迴路複合控制965

參考文獻969

第12章專項控制技術970

12.1引言970

12.2翻滾控制970

12.2.1概要970

12.2.2翻滾環境971

12.2.3彈體特點972

12.2.4翻滾控制設計972

12.2.5數值仿真和投彈試驗974

12.2.6小結976

·ⅩⅧ·

12.3靜不穩定控制977

12.3.1靜不穩定彈體模型及特性978

12.3.2靜不穩定控制的可行性分析982

12.3.3靜不穩定控制原理985

12.3.4靜不穩定邊界992

12.3.5經典三迴路過載控制995

12.3.6修正經典三迴路過載控制1002

12.3.7偽攻角增穩三迴路過載控制1003

12.3.8其他滯後環節增穩三迴路過載控制1012

12.3.9過載增穩三迴路過載控制1017

12.4垂直打擊1028

12.4.1慣性導航技術1028

12.4.2終端視線高低角約束制導律1039

12.4.3仿真試驗1041

12.4.4三組不同參數制導律仿真1045

12.4.5放寬終端視線高低角約束1046

12.5傾斜轉彎控制1049

12.5.1STT和BTT控制簡介1049

12.5.2BTT控制技術特點1049

12.5.3BTT控制分類1050

12.5.4BTT制導1051

12.5.5BTT姿控1052

12.5.6BTT控制算法簡介1054

12.5.7BTT彈道仿真1054

12.6目標定位1059

12.6.1運動目標定位算法1059

12.6.2算例1060

12.7導引頭隔離度對制導控制迴路的影響1067

12.7.1隔離度定義1069

12.7.2寄生迴路定義1070

12.7.3隔離度產生機理分析1071

附錄例1213和例1214 MATLAB原始碼1072

參考文獻1075

·ⅩⅨ·

第13章仿真技術1077

13.1引言1077

13.2數學仿真1079

13.2.1特點和功能1080

13.2.2仿真建模1082

13.2.3仿真模型拉偏1088

13.2.4仿真結構及步驟1092

13.2.5彈體動力學和運動學解算模型1095

13.2.6彈道仿真測試1098

13.2.7延遲裕度測試1100

13.2.8投彈試驗復現1102

13.2.9仿真結果評定1106

13.2.10數學仿真實例1110

13.2.11數學仿真發展趨勢1119

13.3半實物仿真1120

13.3.1試驗目的1120

13.3.2試驗特點及必要性1121

13.3.3彈上設備接入原則1122

13.3.4仿真平台類型1122

13.3.5仿真平台組成簡介1123

13.3.6試驗參試硬體1125

13.3.7試驗參試軟體1126

13.3.8重要硬體設備介紹1128

13.3.9實時仿真網路1142

13.3.10數據採集及分析系統1147

13.3.11視景仿真系統1149

13.3.12試驗狀態1153

13.3.13仿真平台設計指標1173

13.3.14仿真結果評定1177

附錄1177

參考文獻1181

·ⅩⅩ·

第14章控制系統計算機輔助設計1182

14.1引言1182

14.2CSCAD定義1182

14.3CSCAD發展1182

14.4CSCAD設計流程1184

14.5MATLAB簡介1186

14.5.1軟體特點1186

14.5.2軟體優勢1186

14.5.3MATLAB工具箱1188

14.5.4控制系統工具箱套用1192

14.6MATLAB圖形界面設計1220

14.6.1MATLAB圖形界面對象簡介1220

14.6.2基於用戶界面開發環境GUIDE開發GUI1223

14.6.3基於M腳本檔案開發GUI1231

14.7空地制導武器控制系統輔助設計軟體1231

14.7.1計算機硬體和軟體配置1232

14.7.2軟體功能1232

14.7.3軟體啟動1233

14.7.4軟體註冊1233

14.7.5軟體主界面簡介1233

14.7.6專用按鈕1239

14.7.7工具按鈕1241

14.7.8其他按鈕1243

14.7.9氣動數據分析功能1245

14.7.10阻尼迴路設計演示1245

14.7.11控制迴路設計演示1256

14.7.12控制參數尋優演示1261

14.7.13全彈道控制裕度分析1265

參考文獻1272

·ⅩⅪ·

作者簡介

王明光西北工業大學工學博士學歷，自2006年至今，一直從事空地制導武器總體設計和制導控制系統設計等工作，2011年破格兩年評為正高職稱。 其研究著作有《制導炸彈彈道最佳化設計》《制導炸彈彈道最佳化設計》《滑翔制導炸彈俯仰通道自抗擾控制》《基於狀態觀測器滑翔制導炸彈滾轉通道控制》等。獲取2010年度中國航天基金獎個人獎，2013年度 九院九部 “年度技術創新先進個人”，2015年度 九院九部 “優秀共產黨員”等多項榮譽。