基于滑模控制的精确制导技术研究

发布时间：2017-05-04 00:09

  本文关键词：基于滑模控制的精确制导技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：制导系统是战术导弹精确命中目标的前提和保障。本文以机动目标的精确拦截任务为背景,以滑模控制为基础,分别结合扰动观测器、数值微分器、模型预测控制、反演设计和自适应控制等,构造了几种精确制导方法。论文的主要内容如下:研究了弹目视线角速率信息的估计问题,设计了三种基于观测器的二阶滑模制导律。首先,利用高阶滑模扰动观测器和数值微分器分别对目标机动和弹目视线角速率实施在线估计,再结合二阶滑模技术的快速响应,实现了弹目视线角速率的有限时间稳定控制,有效抑制了传统滑模制导律的高频抖振现象。其次,为了避免观测器、微分器分别设计的复杂性,利用齐次度理论设计了一种能够同时估计弹目视线角速率和系统总扰动的有限时间收敛观测器,并将其应用于二阶滑模制导律的设计。最后,提出了基于自适应Super-Twisting算法的二阶滑模制导律。该方案一方面利用自适应技术对系统总扰动导数的上界进行估计和补偿,另一方面,利用二阶滑模的快速性和强鲁棒性,实现对弹目视线角速率的有限时间稳定。由于自适应滑模控制方案不依赖目标机动的任何信息,该方案可以应用于实际的制导环境中。研究了带有终端角度约束的制导律的设计问题。首先,根据零化视线角速率的思想建立了终端碰撞角和终端弹目视线角之间的关系,将终端角度约束问题转化为弹目视线角的跟踪问题。利用通用模型预测控制设计了一种针对非机动目标的逆最优视线角跟踪算法,再利用二阶滑模扰动观测器实现了对目标机动的在线估计和补偿,提出了一种逆最优的角度约束制导律,摆脱了传统最优制导律对剩余飞行时间和目标机动信息依赖的限制。然后,为了弥补现有非奇异终端滑模制导律的缺陷,将非奇异终端滑模技术、扰动观测器技术和二阶滑模技术相结合,设计了一种有限时间收敛的视线角跟踪方案,实现了以特定角度对机动目标的精确拦截。研究了考虑自动驾驶仪动态特性的制导律的设计问题。首先,将导弹的自动驾驶仪视为一阶滞后环节,结合类反演设计技术与高阶滑模扰动观测器技术,通过构造两个不同的积分型李雅普诺夫函数,设计了一种连续的有限时间收敛制导律,从根本上解决了传统反演设计“微分膨胀”的问题。其次,为了满足终端角度的约束,设计了包含线性滑模面和非奇异终端滑模面的快速非奇异终端滑模面,并结合通用扰动观测器技术、有限时间控制技术和反演设计技术设计了一种考虑自动驾驶仪二阶动力学滞后的鲁棒制导律,实现了对弹目视线角的有限时间跟踪。为了避免传统反演设计“微分膨胀”的问题,该制导律的推导过程还利用了跟踪微分器对虚拟控制律的导数进行估计。研究了导弹制导控制一体化控制器的设计问题。建立了考虑气动力/力矩系数不确定性、转动惯量不确定性、通道间耦合作用以及目标机动的三维制导控制一体化模型。针对一类多输入多输出不确定系统,设计了基于二阶滑模控制的多变量自适应扰动观测器,拓展了传统单输入单输出滑模扰动观测器的应用范围,摆脱了传统滑模扰动观测器对系统总扰动或者其导数上界依赖的限制。对该观测器进行变形,提出了一种多变量自适应数值微分器。利用块反演设计技术,并采用多变量自适应扰动观测器和数值微分器分别对系统总扰动和虚拟控制量导数进行估计,设计了一种三维鲁棒制导控制一体化控制器。
【关键词】：制导律 制导控制一体化 滑模控制 扰动观测器 数值微分器 齐次度理论 Super-Twisting算法 模型预测控制 非奇异终端滑模 自适应控制 反演设计
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ765.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 制导律国内外发展现状分析14-20
• 1.2.1 比例导引制导律14-15
• 1.2.2 基于非线性控制理论的制导律15-17
• 1.2.3 考虑终端角度约束的制导律17-19
• 1.2.4 制导控制一体化19-20
• 1.3 本文的研究重点及章节安排20-22
• 第2章 弹目视线角速率信息的估计与制导律设计22-66
• 2.1 引言22-23
• 2.2 基本知识23-28
• 2.2.1 二维平面中的末制导问题描述23-24
• 2.2.2 三维空间中的末制导问题描述24-26
• 2.2.3 基本定义和引理26-28
• 2.3 基于高阶滑模扰动观测器/微分器的二阶滑模制导律28-45
• 2.3.1 制导律设计28-38
• 2.3.2 三维空间的拓展38-39
• 2.3.3 仿真分析39-45
• 2.4 基于齐次度理论的二阶滑模制导律45-52
• 2.4.1 基于齐次度理论的状态观测器45-47
• 2.4.2 制导律设计47-48
• 2.4.3 三维空间的拓展48-49
• 2.4.4 仿真分析49-52
• 2.5 基于自适应Super-Twisting算法的二阶滑模制导律52-65
• 2.5.1 制导律设计52-61
• 2.5.2 仿真分析61-65
• 2.6 本章小结65-66
• 第3章 考虑终端角度约束的制导律66-89
• 3.1 引言66-67
• 3.2 问题描述67
• 3.3 基于通用模型预测控制和滑模扰动观测器的制导律67-79
• 3.3.1 通用模型预测控制的简要介绍67-69
• 3.3.2 基于通用模型预测控制的制导律设计69-70
• 3.3.3 目标机动估计器设计70-73
• 3.3.4 复合制导律设计73-74
• 3.3.5 仿真分析74-79
• 3.4 基于非奇异终端滑模和高阶滑模扰动观测器的制导律79-88
• 3.4.1 制导律设计79-85
• 3.4.2 仿真分析85-88
• 3.5 本章小结88-89
• 第4章 考虑自动驾驶仪动态特性的制导律89-113
• 4.1 引言89-90
• 4.2 考虑自动驾驶仪一阶动力学特性的连续有限时间收敛制导律90-101
• 4.2.1 问题描述90-91
• 4.2.2 制导律设计91-96
• 4.2.3 函数V_1、V_2非负性的证明96-97
• 4.2.4 仿真分析97-101
• 4.3 考虑自动驾驶仪二阶动力学特性的终端角度约束制导律101-111
• 4.3.1 复合快速非奇异终端滑模制导律102-106
• 4.3.2 考虑自动驾驶仪二阶滞后的复合快速终端非奇异滑模制导律106-109
• 4.3.3 仿真分析109-111
• 4.4 本章总结111-113
• 第5章 三维鲁棒制导控制一体化设计113-130
• 5.1 引言113-114
• 5.2 问题描述114-118
• 5.3 多变量自适应扰动观测器/微分器设计118-122
• 5.3.1 多变量自适应扰动观测器设计118-122
• 5.3.2 多变量自适应微分器设计122
• 5.4 三维鲁棒制导控制一体化设计122-125
• 5.5 仿真分析125-128
• 5.6 本章小结128-130
• 第6章 总结与展望130-132
• 6.1 全文总结130-131
• 6.2 后续工作展望131-132
• 参考文献132-143
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单143-145
• 致谢145

  本文关键词：基于滑模控制的精确制导技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：344028