【摘 要】
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燃气舵推力矢量控制因其联动性好、结构简单、可提供滚转力矩等特点被广泛的应用于各类空空导弹和舰防导弹上。其核心部分为燃气舵舵控系统。弹体在飞行初始段,通过弹上导引系统实现弹体的姿态测量,将所测姿态信息传输到燃气舵舵控系统上。燃气舵舵控系统将解算后的姿态信息输送到后续执行机构上,从而实现弹体的推力矢量控制。当前主要采用无刷直流伺服舵机作为燃气舵舵控系统的执行机构。但因其系统本身具有非线性、强耦合性等特
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燃气舵推力矢量控制因其联动性好、结构简单、可提供滚转力矩等特点被广泛的应用于各类空空导弹和舰防导弹上。其核心部分为燃气舵舵控系统。弹体在飞行初始段,通过弹上导引系统实现弹体的姿态测量,将所测姿态信息传输到燃气舵舵控系统上。燃气舵舵控系统将解算后的姿态信息输送到后续执行机构上,从而实现弹体的推力矢量控制。当前主要采用无刷直流伺服舵机作为燃气舵舵控系统的执行机构。但因其系统本身具有非线性、强耦合性等特点,较难实现其高精度伺服控制。本文围绕制导火箭弹燃气舵舵控系统及其控制技术进行了一系列研究。主要工作内容以及研究成果如下:（1）针对无刷直流伺服舵机的工作原理、结构构成等特点进行详细的分析。建立了无刷直流伺服舵机各部分的数学模型及基于Matlab/Simulink的系统动态模型。并利用现代控制理论中的状态方程建模对传统建模进行优化处理。（2）舵机控制系统采用三闭环控制方式。为了实现舵片的高精度位置偏转,本文设计了基于舵机控制系统的PID控制器、基于舵机位置环的自适应模糊滑模复合控制器、高阶非线性扩张状态观测器控制器。并对上述三种控制器进行原理性分析。利用Matlab实现三种控制器的仿真实验,分析其跟踪性能和动态响应性能,从而得到控制效果结论。并借此确定出最优的控制策略。（3）本文基于嵌入式设计了一套舵控系统控制板,采用ARM内核的STM32F103系列芯片作为主芯片。实现了电源模块、串口通讯模块、AD采集模块等功能。编写了不同控制算法的程序,并在下位机中进行移植实现。设计了基于LABVIEW的上位机数据采集界面。（4）针对燃气舵舵控系统进行优化,设计了一个完整的闭环控制结构。对舵控系统进行力学性能分析,并通过FLUENT软件进行受力模拟分析。（5）分别将PID控制器、高阶非线性扩张状态观测器应用于舵机控制系统中,进行空载与负载情况下的舵偏角度实验,并利用六分力测试台实现了连续舵偏情况下的力学性能分析。通过分析所得实验数据可以得出:相比于传统的PID控制器和直接指令控制的开环控制,高阶非线性扩张状态观测器具有更好的动态响应性能和跟踪性能,该控制器响应时间在0.1s以内且无超调量的产生。相比于其他控制器,该控制器具有很好的鲁棒性和抗干扰性。因此可以有效地提高燃气舵舵控系统的位置精度。此外,通过控制器进行舵机的位置调节可以实现整体舵偏系统的侧向力变化调节。
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