输入受限的敏捷型导弹制导与控制方法

发布时间：2020-04-11 14:15

【摘要】：为提高对高机动目标直接碰撞杀伤的概率,先进导弹一般采用多执行机构来增强其机动能力和敏捷性,这些执行机构一般包括气动舵面和侧喷发动机。本文以直接侧向力与气动力的复合控制的敏捷型拦截导弹为研究对象,研究了输入受限情况下,末制导段导弹制导与控制方法。基于滑动扇区控制理论和有限时间稳定理论,提出了有限时间滑动扇区。针对三维空间非线性制导模型,采用微分Riccati方程给出了一种可以得到解析的有限时间滑动扇区的设计方法。选取导弹和目标的切向相对速度为状态变量,将目标机动加速度视为有界干扰,假设其干扰上界可以提前估计得到。根据得到的有限时间滑动扇区,提出了一种有限时间滑动扇区制导律。有限时间滑动扇区制导律,能够使得系统从任意状态在有限时间内进入滑动扇区。在滑动扇区内,导弹和目标的切向相对速度在有限时间内趋于零,确保导弹击中目标。考虑到导弹过载受限的情况,进一步给出了有限时间滑动扇区制导律能够保证在制导过程结束之间收敛至零的条件。在实际应用中,目标机动加速度及其上界难以精确无延时地测量得到,而且导弹自动驾驶动态延时会对制导精度产生不良影响。考虑到导弹自动驾驶仪动态特性,将目标加速度视为有界干扰,采用动态面控制设计了导弹三维非线性制导律。设计时,不需要提前估计目标机动加速度的上界,而是基于Lyapunov稳定理论,采用了自适应律估计目标加速度的界。为了补偿导弹过载饱和的影响,引入了额外的一阶低通滤波器。制导律的最终表达式中,不含视线角速率的高阶导数,偏于实现。在理论上分析了自适应动态面制导律与经典比例导引、滑模制导律和H?制导律的联系与区别。仿真结果表明,该制导律能够有效补偿自动驾驶仪动态特性和过载饱和的影响,能够以较高的精度拦截机动目标。直接侧向力与气动力复合控制的导弹拥有两套执行机构。设计时,先忽略直接侧向力,设计纯气动控制回路,再针对设计好气动控制回路的受控弹体,完成直接侧向力控制律的设计。当引入直接侧向力后,舵控制器容易发生饱和。考虑到舵机的饱和非线性,应用饱和系统的分析与设计理论,基于干扰抑制不变集设计了两种控制方案。一种是允许舵工作在饱和区,另一种是舵不发生饱和。从仿真结果来看,这两种方法设计的复合控制律,都能使得导弹迅速跟踪上过载指令,而且在一定程度上可以有效克服侧向喷流气动干扰效应的影响,显示出良好的鲁棒性。当允许气动舵工作于饱和区时,与舵偏不饱和的方案相比,可以最大限度地发挥舵的作用,减小了侧向脉冲发动机的使用量。对于拥有两个或者多个执行机构的控制系统,如果不考虑执行机构之间的配合问题,那么各个执行机构之间的控制量可能是“斗争”的。控制分配是一种处理多执行机构控制问题的有效办法。在分析了舵机和直接侧向力在导弹建立攻角获得所需过载过程中各自作用效果的基础上,通过仿真说明了,直接设计导弹复合控制律会造成舵机和直接侧向力产生的作用效果相互抵消,导致控制效益降低,不能充分发挥多执行机构共同作用的效果。因此,针对复合控制导弹非线性模型,将控制器的设计分为虚拟控制律的设计和分配策略的设计两步。采用自适应动态面控制方法设计了虚拟控制律,将虚拟控制律产生的控制量通过动态控制分配算法分配给实际的执行机构。通过与伪逆控制分配算法相比较,可以看出通过控制量的合理分配,可以有效避免引入直接侧向力后舵机的饱和。从仿真结果来看,在过载跟踪过程中,导弹直接侧向力与气动舵相互配合,充分发挥了两个控制器共同作用的效果。
【图文】：

扇区,方程,滑动方法,无穷范数

t I ，TT Ta a w目标的加速度 w 是未知的，并且也无法精度视为有界干扰，满足f w ，表示无穷范数。间滑动扇区构控制，需要构造一个滑模面，然后设计模面。在滑动扇区控制方法中，通过滑动方法中，只需要系统状态进入滑动扇区中绕滑动平面（超平面） σ x , t 0过原点一论，，下面给出有限时间滑动扇区的定义。x
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ765.3

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