动能拦截器固体姿控发动机的研究

发布时间：2017-07-27 11:26

  本文关键词：动能拦截器固体姿控发动机的研究

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【摘要】：动能拦截器通过直接碰撞的方式拦截目标，因此对姿态控制系统的控制精度提出极高的要求。姿控发动机作为姿态控制系统的执行机构，其性能对姿态控制系统具有重要作用。本文以动能拦截器的固体姿控发动机为研究对象，设计了一种阀门喷嘴结构形式的固体姿控发动机并进行理论与实验研究，对固体姿控发动机的结构设计及优化，性能测试及工程应用等方面具有一定的指导意义。 提出实现“三轴稳定”的姿控发动机布局方案及性能指标，采用阀门喷嘴结构形式对固体姿控发动机进行结构设计，对姿控发动机内部控制气腔的压力动态特性和气路的流量特性进行分析，并对活塞运动过程中的运动阻力进行研究，从而建立姿控发动机工作过程的非线性数学模型。 对姿控发动机工作过程中活塞所受到的气动阻力进行节流理论计算、数值仿真和实验研究，得到气动阻力与活塞位移的非线性关系。通过实验测试得到两侧控制气腔的压力变化曲线并与数学模型的仿真结果对比从而验证数学模型的正确性。对姿控发动机的动态延迟时间进行分析，提出一种使用霍尔元件测试活塞位置信号从而对延迟时间进行测试的间接测试方法。 对数学模型进行线性化，并通过理论和实验研究喷嘴挡板间隙变化对姿控发动机动态性能的影响。分析燃气和压缩空气两种工作介质对姿控发动机的性能影响，指出两种工作介质对静态推力和活塞运动所受气动阻力的影响很小，而对其动态性能影响显著，为姿控发动机的检测和验收提供了理论依据。 提出以控制气流的质量与燃气总质量的比值表征该结构形式姿控发动机的工作效率，并以延迟时间和工作效率为优化指标采用自适应差分进化算法对姿控发动机的结构参数进行Pareto多目标优化，，并得到优化后的结构参数。 采用传统的动态力直接测试方法对姿控发动机的动态推力进行测试，并根据姿控发动机动态推力的特点设计一种新型的单摆式间接测试系统。建立两种测试系统的数学模型，并分析测试系统的动态响应、数据处理方法和测试误差。针对直接测试曲线中的高频振荡设计动态补偿环节并取得良好的补偿效果。对间接测试系统在不同的测试条件下进行实验研究并分析了动态力幅值和延迟时间的一致性对测试结果的影响。通过将两种测试方法进行对比得出间接测试系统具有结果简单，数据易于处理等优点，同时在延迟时间的测试上可以达到很高的精度。 对动能拦截器末制导阶段的姿态控制方案进行仿真研究。结合姿控发动机的特点设计了变频率脉宽调制控制方法，对脉宽调制控制方法中产生的抖动问题进行分析。研究了延迟时间的变化和一致性对控制性能的影响，并采用地面燃气实验过程中姿控发动机的延迟时间进行仿真，结果表明减小延迟时间有利于提高控制精度，而延迟时间的一致性对控制精度产生较大影响。
【关键词】：固体姿控发动机 动态延迟时间 燃气实验 优化设计 动态力测试 脉宽调制控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2;V43
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 图表目录8-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 课题研究背景及意义16-20
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势20-28
• 1.2.1 固体姿控发动机的研究现状20-24
• 1.2.2 优化设计的研究现状24-25
• 1.2.3 动态力测试技术的研究现状25-27
• 1.2.4 动能拦截器姿态控制的研究现状27-28
• 1.3 本文的主要研究内容28-30
• 第2章 固体姿控发动机的结构设计与理论研究30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 固体姿控发动机的布局方案30-33
• 2.2.1 三姿控发动机布局方案30-31
• 2.2.2 四姿控发动机布局方案31-32
• 2.2.3 姿控发动机布局方案的确定32-33
• 2.2.4 固体姿控发动机的技术指标及性能要求33
• 2.3 姿控发动机的结构方案33-35
• 2.4 姿控发动机的工作机理35-44
• 2.4.1 控制气腔压力动态特性的研究36-40
• 2.4.2 气路流量特性分析40-42
• 2.4.3 活塞运动阻力分析42-44
• 2.5 姿控发动机的数学模型44-46
• 2.6 姿控发动机的初步设计结果46-47
• 2.7 小结47-48
• 第3章 姿控发动机性能的仿真和实验研究48-84
• 3.1 引言48
• 3.2 姿控发动机模型仿真48-57
• 3.2.1 模型参数分析49
• 3.2.2 气动阻力的研究49-54
• 3.2.3 数学模型仿真54-56
• 3.2.4 数学模型的验证56-57
• 3.3 姿控发动机延迟时间研究57-63
• 3.3.1 电磁铁延迟时间的测试58-59
• 3.3.2 一种姿控发动机延迟时间的间接测试方法59-63
• 3.4 姿控发动机模型的线性化研究63-70
• 3.4.1 压力流量特性及线性化63-66
• 3.4.2 数学模型的线性化66-69
• 3.4.3 模型参数及仿真分析69-70
• 3.5 间隙对姿控发动机的性能影响70-73
• 3.5.1 间隙对阀系数的影响70-71
• 3.5.2 间隙对延迟时间影响的仿真计算71-72
• 3.5.3 间隙对延迟时间影响的实验研究72-73
• 3.6 压缩空气和燃气的性能对比73-82
• 3.6.1 静态推力的对比74-75
• 3.6.2 气动阻力的对比75-76
• 3.6.3 工作介质对阀系数的影响76-77
• 3.6.4 动态延迟时间的对比77-80
• 3.6.5 热传导对动态性能的影响80
• 3.6.6 燃气实验小结80-82
• 3.7 小结82-84
• 第4章 基于 Pareto 差分进化算法的姿控发动机优化设计84-96
• 4.1 引言84
• 4.2 姿控发动机性能影响参数分析84-87
• 4.2.1 延迟时间影响参数85
• 4.2.2 工作效率影响参数85-87
• 4.3 优化设计问题的提出87-89
• 4.3.1 设计变量87-88
• 4.3.2 目标函数的建立88
• 4.3.3 约束条件88-89
• 4.4 差分进化算法89-92
• 4.4.1 差分进化算法简介89
• 4.4.2 差分进化算法流程89-91
• 4.4.3 差分进化算法的自适应调节91-92
• 4.5 Pareto多目标优化算法92-93
• 4.5.1 多目标优化设计的概念92
• 4.5.2 Pareto 最优解和 Pareto 方法92-93
• 4.5.3 Pareto 差分进化算法93
• 4.6 优化设计结果93-95
• 4.6.1 Pareto差分进化算法的实现93-94
• 4.6.2 优化结果分析94-95
• 4.7 小结95-96
• 第5章 姿控发动机动态推力的测试方法96-122
• 5.1 引言96-97
• 5.2 动态推力的直接测试方法97-106
• 5.2.1 测试系统结构和测试原理97-98
• 5.2.2 测试系统的数学模型98-99
• 5.2.3 测试结果处理及误差分析99-103
• 5.2.4 推力测试的动态补偿技术103-106
• 5.3 动态推力的间接测试方法106-120
• 5.3.1 测试系统结构和测试原理107-108
• 5.3.2 动态推力间接测试系统的数学模型108-109
• 5.3.3 测试系统动态响应及测试误差分析109-112
• 5.3.4 一致性对测试结果的影响112-115
• 5.3.5 测试结果及数据处理115-117
• 5.3.6 测试系统的实验研究117-120
• 5.4 两种动态力测试方法的对比120-121
• 5.5 小结121-122
• 第6章 动能拦截器末制导阶段姿态控制的研究122-139
• 6.1 引言122-123
• 6.2 KKV 姿态控制问题的描述123-125
• 6.3 KKV 姿态控制方案设计125-128
• 6.3.1 俯仰通道控制方案设计125-126
• 6.3.2 偏航和滚转通道控制方案设计126-128
• 6.4 变频率 PWM 控制方法128-132
• 6.4.1 系统模型和变频率 PWM 控制方法128-131
• 6.4.2 PWM线性化方法产生的固有抖动131-132
• 6.5 末制导段的姿态控制仿真132-134
• 6.6 姿控发动机性能对控制效果的影响134-138
• 6.6.1 延迟时间变化对控制精度的影响135-136
• 6.6.2 延迟时间一致性对控制精度的影响136
• 6.6.3 实际延迟时间对控制精度的影响136-138
• 6.7 小结138-139
• 结论139-142
• 参考文献142-148
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单148-149
• 致谢149

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 欧阳华兵;徐温干;;基于动态补偿技术的姿控发动机瞬态推力测量[J];兵工学报;2007年05期

2 彭光正,陈萍,赵彤;带制动装置气缸的PWM位置控制系统[J];北京理工大学学报;1999年03期

3 莫波,杨彩霞;射流元件动态力检测方法(英文)[J];Journal of Beijing Institute of Technology(English Edition);2002年04期

4 白志红,周玉虎;电磁铁的动态特性的仿真与分析[J];电力学报;2004年03期

5 张德雄,王照斌;动能拦截器的固体推进剂轨控和姿控系统[J];飞航导弹;2001年02期

6 程凤舟,万自明,陈士橹;大气层外动能拦截器末制导分析[J];飞行力学;2002年01期

7 胡小平,王中伟,张为华,王振国;姿控发动机布局方式优化分析[J];国防科技大学学报;1997年02期

8 王翠荣,施广富,翟江源;固体火箭发动机瞬态推力复现技术研究[J];固体火箭技术;2002年01期

9 张宏安,叶定友,郭彤;固体动能拦截器研究初探[J];固体火箭技术;2002年04期

10 彭增辉;姚晓先;;动态力测试数据处理及误差分析研究[J];固体火箭技术;2008年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐斌;基于差分进化算法的多目标优化方法研究及其应用[D];华东理工大学;2013年

本文编号：581193