《亚音速导弹空对空拦截建模与控制》

亚音速导弹在现代空对空作战场景中具有关键作用——由F-35“闪电Ⅱ”战机搭载——但需配备复杂的制导、导航与控制系统以实现30G加速机动并成功拦截。必须解决此类动态系统数学建模与控制中的挑战，抑制高频噪声，并补偿作动器延迟。本文旨在研究拦截所需的控制系统，基于文献与前期研究提出亚音速设计方案，推导气动导数，并通过性能对比分析所设计的二维简化俯仰自动驾驶控制系统的响应特性。该俯仰自动驾驶模型包含优化的PID控制器、二阶作动器、超前补偿器及卡尔曼滤波器，可抑制飞行中预期的时变扰动与高频噪声。仿真结果证实所提方法的有效性：上升时间减少21%，调整时间降低10%，同时揭示补偿器集成导致的高频响应缺陷。经增强的补偿型自动驾驶控制器成功消除了100毫秒作动器延迟，满足系统性能要求(1)和(3)；但存在370%超调量，未满足要求(2)。本研究验证了超前补偿器在导弹制导导航控制（GNC）系统中的重要性，并通过特定构型推进控制设计应用。未来研究应基于现有方法与模型构建并测试拦截场景。

本文详述亚音速导弹空对空拦截方案设计。基于E. L.弗利曼[1]的经典文献、N.苏根德兰[2]的升降舵尺寸研究，结合现有设计提出导弹整体构型，并通过计算机辅助设计（CAD）软件建模。气动导数估算参考E. L.弗利曼[1]、X.王等[3]及J. O.尼科尔斯[4]的研究成果，但结果受限于特定马赫设计点且仅适用于小攻角范围。基于L.德福等[6]的现代文献推导简化二维弹体动力学控制系统，在考虑E. L.杜克等[5]研究后，将问题维度从三维降至二维。俯仰自动驾驶设计融合凯里等[9]、K.尼尔马尔等[10]、希马等[11]、王等[12]的研究成果。作动器初始参数源自T.哈罗德[8]，后续予以修正。导弹控制系统包含制导律、铰链力矩自动驾驶仪、俯仰动力学PID控制及平移动力学控制器等核心模块（GNC）。通过增设超前补偿器提升系统响应特性，对比分析补偿前后的性能差异，并依据E.德沃[14]的标准评估。针对铰链力矩自动驾驶仪展开深入研究，后续工作应延续现有理论框架，结合R. A.海德[14]研究的融合技术整合各子系统，以实现J. A.卡普兰[7]提出的30G过载拦截要求。