基于轨迹线性化方法的再入机动弹头控制器设计

摘要

再入机动弹头具有重要的战略意义和极高的军事应用价值。本文根据我国对再入机动弹头控制技术发展的需求，对再入机动弹头在再入段机动飞行的姿态稳定控制问题进行了研究。本文主要针对再入机动弹头再入过程中大的不确定性、非线性特性、时变特性以及 MIMO系统耦合特性等问题，进行详细的分析之后，给出了一种可以有效解决非线性时变耦合特性并具有较强鲁棒性的轨迹线性化控制方法，实现了再入机动弹头在动压和飞行马赫数变化范围比较大的情况下飞行姿态的稳定控制。具体研究内容如下:
　　建立再入机动弹头的运动学、动力学模型以及与飞行有关的气动参数模型。再入机动弹头是一种高超声速飞行器，相对于其他飞行器具有自己典型的特点，这些特点主要体现在不确定性、非线性、耦合性以及时变特性等方面。本文通过对再入机动弹头数学模型进行较深入的研究，进行总体的控制思路和控制方法的规划。
　　针对再入机动弹头的时变非线性特性以及通道间耦合特性，提出利用非线性动态逆控制方法，处理系统的非线性特性和实现通道间解耦。该控制方法分两部分完成：首先将再入机动弹头模型进行适当的简化，得到用于控制系统设计的仿射非线性模型；然后利用非线性动态逆方法分别设计内外回路控制器。但是该方法缺乏鲁棒性，在存在干扰和参数建模误差时，跟踪误差较大，因而需要与其他鲁棒控制方法相结合，提高其鲁棒性能。
　　针对再入机动弹头存在大的不确定性和建模误差的特点，提出了利用轨迹线性化控制方法(TLC)提高系统的抗干扰能力。该方法首先利用非线性动态逆方法求得开环系统的伪逆，将轨迹跟踪问题转化为时变非线性的跟踪误差调节问题，然后设计闭环状态线性时变反馈控制律加以镇定，使得整个系统获得满意的控制性能。轨迹线性化方法在系统存在大的不确定性时，仍能够实现系统的稳定跟踪与控制，具有较强的鲁棒性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 高超声速飞行器及其控制方法的发展

1.3 论文的主要工作及章节安排

第2章 再入机动弹头的数学模型

2.1 引言

2.2 再入机动弹头的气动外形

2.3 再入机动弹头的数学模型的建立

2.4 本章小结

第3章 再入机动弹头动态逆控制器设计

3.1 引言

3.2 仿射非线性系统

3.3 逆系统方法

3.4 再入机动弹头动态逆控制器设计

3.5 动态逆控制系统仿真分析

3.6 本章小结

第4章 再入机动弹头轨迹线性化控制器设计

4.1 引言

4.2 微分几何方法基础

4.3 轨迹线性化方法概述

4.4 再入机动弹头轨迹线性化控制器设计

4.5 本章小结

第5章 轨迹线性化方法控制性能分析

5.1 引言

5.2 轨迹线性化控制器的仿真验证

5.3 建模误差和大不确定性对系统性能的影响

5.4 轨迹线性化方法的综合分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录A 再入机动弹头模型参数和气动导数

附录B 再入机动弹头动态逆控制系统仿真程序

附录C 再入机动弹头轨迹线性化控制系统仿真程序