内容简介

本书在深入介绍制导控制系统底层知识的同时着重介绍制导控制系统设计前沿技术，全面深入地阐述制导控制系统的组成、被控对象特性、弹道设计、惯性导航系统设计、制导系统设计、导引弹道设计、纵向控制回路设计、滚转控制回路设计、基于自抗扰控制技术控制回路设计、基于现代控制理论控制回路设计、控制仿真技术、控制系统辅助软件设计等，并对弹体翻滚控制、静不稳定控制、倾斜转弯控制技术、垂直打击技术、目标定位技术等专项制导控制技术进行系统而深入的介绍及分析。本书面向航空航天类在校学生及科研单位从事制导武器制导控制系统设计的研究人员。

作者简介

王明光，西北工业大学工学博士学历，自2006年至今，一直从事空地制导武器总体设计和制导控制系统设计等工作，2011年破格两年评为正高职称。 其研究著作有《制导炸弹弹道优化设计》《制导炸弹弹道优化设计》《滑翔制导炸弹俯仰通道自抗扰控制》《基于状态观测器滑翔制导炸弹滚转通道控制》等。获取2010年度中国航天基金奖个人奖，2013年度九院九部 “年度技术创新先进个人”，2015年度九院九部 “优秀共产党员”等多项荣誉。

前言

作者自工作以来，一直从事战术空地导弹总体设计和制导控制系统设计工作，在研发过程中遇到设计难题时，就会查阅能收集到的国内外著作、论文及其他文献，不过遗憾的是，往往得不到确切的答案。此外，在研发过程中，发现大多研发人员的基础知识不扎实，对制导控制设计缺少系统的认识，迫切需要一本全面而深入介绍空地导弹制导控制系统设计的图书作为参考。作者编写本书的初衷也是基于如下背景：1)国内外缺少一本全面介绍空地导弹制导控制系统的图书，国内大部分制导控制系统设计图书由高校老师编写，其内容偏向理论介绍，忽略工程设计，导致内容晦涩难懂；另外一部分制导控制系统设计图书偏向于工程设计，而理论分析及解释比较少，故较难深入学习并掌握。2)制导控制系统是导弹武器系统的“中枢神经”，直接影响导弹的性能和可靠性，随着科技的进步，制导控制系统设计方法和理念也已发生了巨大的变化。3)在研发过程中常碰到一些制导控制关键技术，比如在强弹机分离气动干扰下弹体翻滚控制设计，作者曾花费大量的时间和精力，却很难查到相关文献，咨询了一些专家，也没有得到确切的答案，其他相关的制导控制关键技术也类似，故急需一本全面而深入介绍空地导弹制导控制系统设计的图书。编写本书的另一个初衷：尝试将理论分析和工程设计相结合，本着“物有本末，事有终始，知所先后，则近道矣”的宗旨，尽可能详细地介绍广义制导控制系统设计所涉及的各知识点，使读者真正深入理解制导控制系统的本质，做到“知其然知其所以然”，只有这样，才能设计出一个性能优良的制导控制系统，才能 “随意”以创新的方式设计出满足高性能指标要求的制导控制系统。本书在深入介绍制导控制系统基础知识的同时，着重介绍了前沿技术，全面深入地阐述了制导控制系统的组成、被控对象特性、弹道设计、捷联惯性导航系统设计、制导系统设计、导引弹道设计、纵向控制回路设计、滚动控制回路设计、基于自抗扰控制技术控制回路设计、基于现代控制理论控制回路设计、飞行控制仿真技术、控制系统辅助软件设计等，并对弹体翻滚控制技术、静不稳定控制技术、倾斜转弯控制技术、垂直打击技术、目标定位技术等专项控制技术进行了系统而深入的介绍及分析。本书理论联系实际，内容新颖有趣。制导控制技术日新月异，本书尝试将新控制理论应用于制导控制系统设计，较详细地介绍了现代控制理论和ADRC控制理论在姿态控制设计中的应用，权当“抛砖引玉”，望读者学习之后能更深入研究，以期设计出低成本、高品质的制导控制系统。本书面向航空航天类的在校学生及从事制导控制系统设计的研发人员。在撰写本书的过程中，得到了陈东生、裴听国、高秀花、马永青等研究员的大力支持，他们是本书得以付梓的幕后英雄，给予作者很大的支持和鼓舞，并在百忙之中对本书提出了很多建设性意见，此外孟建、李敏、刘宇新、李俊超、王晓燕、张子鑫等同事详细校对了部分书稿，在此一并致谢。由于作者水平有限，很多设计方法和思路也只是作者在研发过程中的探索结果，难免有不妥之处，敬请读者批评指正。

目录

第1章制导控制系统概述11.1空地制导武器概述11.1.1定义11.1.2分类11.1.3组成21.1.4作用101.1.5发展历程及趋势111.2制导控制系统简介171.2.1定义181.2.2组成及系统框图181.2.3功能201.2.4设计指标211.2.5研制阶段划分231.2.6在总体设计中所处地位261.3制导律和控制律介绍281.3.1制导律291.3.2控制律331.4本书特色38参考文献41第2章弹体对象432.1引言432.2空气动力学基础432.2.1大气简介432.2.2气体特性462.2.3空气动力学基本概念及基本方程522.2.4不可压缩流及库塔儒科夫斯基定理652.2.5低速附面层702.2.6热力学基本定律712.2.7翼型气动特性862.2.8弹翼气动特性1052.3气动布局设计1132.3.1气动外形分类1142.3.2主要的气动布局及特性1162.3.3气动舵面布局1212.4气动特性及设计指标1242.4.1纵向气动特性及设计指标1242.4.2横侧向气动特性及设计指标1442.5风洞试验数据处理1462.5.1多元表格差值法1462.5.2公式化法1472.6气动布局设计举例1482.7坐标系定义及转换1522.7.1坐标系定义1532.7.2坐标系转换1532.8弹体运动状态方程1572.8.1力和力矩1582.8.2弹体动力学方程1652.8.3弹体运动学方程1682.8.4弹体质量特性变化方程1692.8.5角度几何关系式1702.8.6操纵关系式1712.9弹体的纵向运动和横侧向运动1732.10弹体纵向动态特性分析1742.10.1纵向扰动方程组1752.10.2弹体传递函数1802.10.3动力系数对传递函数的影响1882.10.4被控对象可控性和可观性分析1932.10.5自由扰动运动1962.10.6纵向操纵运动1992.10.7小扰动假设的缺陷2002.11弹体横侧向动态特性分析2002.11.1横侧向扰动方程组2012.11.2弹体传递函数2042.11.3动力系数对传递函数的影响2162.11.4被控对象可控性和可观性分析2182.11.5自由扰动运动2192.11.6横侧向稳定概念及稳定边界2212.11.7滚动干扰力矩2232.11.8滚动控制回路可控性分析2242.12特征弹道和特征点选取原则225参考文献229第3章弹道设计2303.1引言2303.2弹道设计任务2313.3弹道设计作用2313.4弹道设计原则2313.5弹道设计主要阶段2323.5.1方案论证阶段2323.5.2初步设计阶段2333.5.3技术设计阶段2333.5.4飞行试验阶段2343.5.5设计定型阶段2353.6方案弹道设计2353.6.1纵向平面内的方案弹道2363.6.2俯仰角程序2383.6.3攻角程序2393.6.4高度程序2423.6.5法向过载程序2433.6.6弹道倾角程序245参考文献247第4章捷联惯性导航系统设计2484.1引言2484.2基本规定2494.3坐标系及转换矩阵2504.3.1坐标系定义2504.3.2坐标系转换2524.4地球模型2544.4.1地球几何形状及WGS84坐标系2544.4.2纬度和高度2554.4.3地球曲率半径2564.4.4地球重力模型2574.4.5地心系坐标与地理经纬度、高度的变换关系2584.5惯性测量单元2594.5.1加速度计2594.5.2陀螺2624.5.3惯组指标2674.6惯性导航基本方程2694.7捷联惯性导航的力学编排2704.7.1惯组误差补偿2724.7.2姿态解算2734.7.3速度解算2864.7.4位置解算2874.7.5高度通道设计2894.8捷联惯性导航误差分析2924.9初始对准3004.9.1解析粗对准3014.9.2自主式初始对准3024.9.3水平初始对准3024.9.4方位罗经初始对准3094.10确定初始条件3104.11导航仿真3104.12小结315附录例41源代码316参考文献318第5章制导系统设计基础3195.1引言3195.2制导系统的定义、功能及组成3195.3制导系统分类3215.3.1非自动寻的制导3215.3.2自动寻的制导3305.3.3复合制导3325.4导引头3335.4.1分类、组成、功能及工作状态3345.4.2稳定平台3375.4.3跟踪系统3415.4.4光学制导3435.4.5红外制导3495.4.6红外点源制导3615.4.7红外成像制导3715.4.8电视制导3955.4.9激光半主动制导3985.4.10被动雷达制导4155.4.11导引头测试4345.5伺服式导引头输出信息坐标转换4425.6捷联式导引头4445.6.1优缺点4445.6.2适用范围4455.6.3弹目视线角定义4465.6.4姿态隔离算法4475.6.5视场分配4485.7制导系统的发展趋势462附录1MATLAB仿真程序463附录2反辐射战术导弹靶标诱饵系统463附录3C代码模块466参考文献470第6章导引弹道设计4716.1引言4716.2选择导引律基本原则4716.3目标运动特性4726.4飞行弹道分段及制导时序4726.4.1飞行弹道分段4726.4.2制导时序4746.5弹体与目标之间的运动学及导引关系4756.5.1弹体与目标之间的运动学4756.5.2导引关系4786.6导引原理4796.7追踪法4796.7.1追踪法解析解4806.7.2追踪法击中目标的条件及弹道特性4826.7.3追踪法弹道的稳定性4856.7.4追踪法工程实现4876.7.5追踪法的优缺点及应用4876.7.6追踪法的改进形式4886.8平行接近法4936.8.1平行接近法弹道过载特性4946.8.2平行接近法优缺点及应用4946.9比例导引法4956.9.1比例导引法简介4956.9.2比例导引法分类4996.9.3比例导引法解析解5046.9.4比例导引法传递函数5056.9.5干扰量特性5076.9.6理想比例导引法5086.9.7比例导引法稳定性分析5106.9.8比例系数K的选择5146.9.9比例导引法工程实现5206.9.10比例导引法的优缺点及应用5206.10修正比例导引法5206.10.1主动补偿项5216.10.2被动补偿项5226.11末段零视线角速度比例导引法5226.11.1干扰量修正原理5226.11.2基于扩展状态观测器ESO的修正比例导引法5236.12末段零制导量比例导引法5276.12.1干扰量修正原理5286.12.2干扰量直接补偿法5306.12.3视线角加速度补偿法5326.12.4ESO修正q¨5346.13制导精度分析5386.13.1制导精度的概念5386.13.2制导精度影响因素5396.13.3圆概率误差计算5416.13.4命中概率计算5426.14科氏加速度和牵连加速度对制导弹道的影响5436.15终端角度约束制导律设计5476.15.1终端角度约束简介5476.15.2纵向平面内终端角度约束制导律设计5486.15.3横侧向平面内终端角度约束制导律设计555参考文献559第7章控制系统设计基础5607.1引言5607.2控制系统定义5607.3控制系统功能5617.4控制系统组成5627.5硬件组成5637.5.1弹载计算机5647.5.2舵机系统5757.5.3GPS5877.5.4大气测量系统5977.5.5高度表6067.6控制系统软件设计6077.6.1软件功能6077.6.2软件性能要求6087.6.3软件工程6097.6.4软件集成开发环境6107.6.5软件开发编程语言6127.6.6主程序框架6127.6.7软件测试6137.7被控对象的特点6177.7.1模型非线性6177.7.2模型不确定性6187.7.3干扰6197.7.4时变性6237.7.5耦合特性6237.7.6结构质量特性变化6267.8控制系统分类6267.8.1控制系统结构6267.8.2控制方法6277.8.3控制方式6287.8.4控制通道6297.8.5控制回路6337.8.6制导指令6357.9控制时序6357.10稳定性与控制裕度6367.10.1相位裕度和增益裕度6377.10.2开环和闭环系统的关系6417.10.3闭环系统频域指标与时域指标之间的关联关系6437.10.4延迟裕度6477.10.5灵敏度6517.11控制系统性能指标6557.12控制系统设计方法6597.12.1经典控制系统设计方法介绍6597.12.2串联校正6617.12.3局部反馈校正6717.12.4串联校正和反馈校正的区别6727.12.5前馈校正及复合控制6737.12.6非线性PID控制6797.12.7控制参数在线调整6807.13控制系统测试信号6817.13.1单点测试6817.13.2全弹道测试6847.14数字式飞行控制系统6907.14.1概述6907.14.2组成6907.14.3优点6917.14.4数字飞行控制设计方法简介6927.14.5采样过程、信号重构、香农采样定理和采样频率6947.14.6实时性要求6957.14.7被控对象离散化6957.15噪声与数字滤波器7017.15.1噪声7017.15.2信号分析7047.15.3滤波器简介及分类7077.15.4基于脉冲噪声的数字滤波器设计7097.15.5经典数字滤波器设计7107.15.6经典卡尔曼滤波器7247.15.7扩展卡尔曼滤波器7317.15.8无迹卡尔曼滤波器735附录1舵控回路的MATLAB程序738附录2GPS TLEs轨道参数739附录3控制系统C语言编写格式约定742附录4卡尔曼滤波MATLAB程序代码758参考文献761第8章纵向控制回路设计7628.1引言7628.2阻尼回路设计和增稳回路设计7638.2.1阻尼回路和增稳回路工作原理7658.2.2被控对象选择7668.2.3阻尼回路设计指标7678.2.4确定阻尼反馈系数7688.2.5阻尼回路设计原则及限制因素7728.2.6全弹道阻尼回路设计7748.2.7增稳回路设计7758.3外回路设计7768.3.1姿态角控制回路设计7768.3.2过载控制回路设计7878.3.3高度控制回路设计7988.3.4弹道倾角控制回路设计8078.4影响纵向控制回路裕度的因素818附录例83 MATLAB源代码822参考文献826第9章滚动控制回路设计8279.1引言8279.2控制回路特点8289.3设计指标8299.4阻尼回路设计8309.4.1被控对象选择8309.4.2确定阻尼反馈系数8319.4.3一阶和四阶弹体模型之间的区别8359.4.4设计原则与限制因素8379.5快速姿态控制回路设计8389.5.1滚动控制回路简介8389.5.2控制器设计8389.5.3控制回路抗干扰特性分析8399.5.4控制回路设计的例子8409.6微小型空地导弹滚动控制回路“怪异”现象分析8509.7基于全弹道的控制回路设计8539.8影响滚动控制回路裕度的因素858附录例95 MATLAB源代码861参考文献863第10章自抗扰控制技术在姿控回路中的应用86410.1引言86410.2自抗扰控制技术简介86410.3跟踪微分器86510.3.1线性微分器86510.3.2跟踪微分器定义86610.3.3“快速跟踪微分器”的离散形式86910.3.4仿真分析87010.4状态观测器87410.4.1状态观测器的定义和选取原则87410.4.2龙伯格状态观测器87510.4.3线性状态观测器87910.4.4状态观测器频域分析88310.5扩展状态观测器89210.5.1二阶扩展状态观测器89210.5.2三阶线性扩展状态观测器90010.6龙伯格状态观测器与扩展状态观测器的比较90510.7动态补偿技术90610.8构建扩展状态观测器的基本原则90810.9基于ESO滚动姿控回路设计90910.9.1被控对象模型转换91010.9.2基于ESO观测器的控制回路设计91110.9.3控制器性能分析91610.9.4半实物仿真试验91810.9.5基于ESO控制的优点和缺点91910.10基于ADRC纵向控制回路设计91910.10.1被控对象模型转换91910.10.2自抗扰控制设计92110.10.3控制器性能分析92210.10.4半实物仿真试验92310.10.5结论925参考文献926第11章现代控制理论在姿控回路中的应用92711.1引言92711.2状态方程和被控对象92811.3输出反馈和状态反馈92911.3.1输出反馈93011.3.2状态反馈93211.3.3单输入系统的极点配置方法93311.4状态重构和状态观测器93411.4.1状态观测器93411.4.2降维状态观测器93611.5基于状态观测器的状态反馈设计及应用94311.5.1基于状态观测器的状态反馈设计94311.5.2增稳回路设计94511.6二次型性能指标的控制94711.6.1控制简介和控制解法94711.6.2二次型性能指标的控制94911.7基于二次型性能指标的滚动控制回路控制95411.8基于二次型性能指标的纵向控制回路控制95911.9基于ESO与二次型性能指标滚动控制回路复合控制965参考文献969第12章专项控制技术97012.1引言97012.2翻滚控制97012.2.1概要97012.2.2翻滚环境97112.2.3弹体特点97212.2.4翻滚控制设计97212.2.5数值仿真和投弹试验97412.2.6小结97612.3静不稳定控制97712.3.1静不稳定弹体模型及特性97812.3.2静不稳定控制的可行性分析98212.3.3静不稳定控制原理98512.3.4静不稳定边界99212.3.5经典三回路过载控制99512.3.6修正经典三回路过载控制100212.3.7伪攻角增稳三回路过载控制100312.3.8其他滞后环节增稳三回路过载控制101212.3.9过载增稳三回路过载控制101712.4垂直打击102812.4.1惯性导航技术102812.4.2终端视线高低角约束制导律103912.4.3仿真试验104112.4.4三组不同参数制导律仿真104512.4.5放宽终端视线高低角约束104612.5倾斜转弯控制104912.5.1STT和BTT控制简介104912.5.2BTT控制技术特点104912.5.3BTT控制分类105012.5.4BTT制导105112.5.5BTT姿控105212.5.6BTT控制算法简介105412.5.7BTT弹道仿真105412.6目标定位105912.6.1运动目标定位算法105912.6.2算例106012.7导引头隔离度对制导控制回路的影响106712.7.1隔离度定义106912.7.2寄生回路定义107012.7.3隔离度产生机理分析1071附录例1213和例1214 MATLAB源代码1072参考文献1075第13章仿真技术107713.1引言107713.2数学仿真107913.2.1特点和功能108013.2.2仿真建模108213.2.3仿真模型拉偏108813.2.4仿真结构及步骤109213.2.5弹体动力学和运动学解算模型109513.2.6弹道仿真测试109813.2.7延迟裕度测试110013.2.8投弹试验复现110213.2.9仿真结果评定110613.2.10数学仿真实例111013.2.11数学仿真发展趋势111913.3半实物仿真112013.3.1试验目的112013.3.2试验特点及必要性112113.3.3弹上设备接入原则112213.3.4仿真平台类型112213.3.5仿真平台组成简介112313.3.6试验参试硬件112513.3.7试验参试软件112613.3.8重要硬件设备介绍112813.3.9实时仿真网络114213.3.10数据采集及分析系统114713.3.11视景仿真系统114913.3.12试验状态115313.3.13仿真平台设计指标117313.3.14仿真结果评定1177附录1177参考文献1181第14章控制系统计算机辅助设计118214.1引言118214.2CSCAD定义118214.3CSCAD发展118214.4CSCAD设计流程118414.5MATLAB简介118614.5.1软件特点118614.5.2软件优势118614.5.3MATLAB工具箱118814.5.4控制系统工具箱应用119214.6MATLAB图形界面设计122014.6.1MATLAB图形界面对象简介122014.6.2基于用户界面开发环境GUIDE开发GUI122314.6.3基于M脚本文件开发GUI123114.7空地制导武器控制系统辅助设计软件123114.7.1计算机硬件和软件配置123214.7.2软件功能123214.7.3软件启动123314.7.4软件注册123314.7.5软件主界面简介123314.7.6专用按钮123914.7.7工具按钮124114.7.8其他按钮124314.7.9气动数据分析功能124514.7.10阻尼回路设计演示124514.7.11控制回路设计演示125614.7.12控制参数寻优演示126114.7.13全弹道控制裕度分析1265参考文献1272