基于扰动估计和补偿的导弹鲁棒姿态控制方法研究

摘要

近程战术弹道导弹由于其飞行速度快，突防能力强，使用方式灵活及作战效能高等特点，在现代的高科技局部战争中得到广泛的应用。随着导弹技术和反导技术攻防对抗的愈演愈烈，近程战术弹道导弹必然要向着全程可控、机动性强及弹道变化多样等趋势发展，相应的飞行动力学模型具有非线性强、耦合性强、参数变化范围大、外界干扰和不确定因素多等特点，给姿态控制系统的设计带来很大挑战。本文以近程战术弹道导弹为研究对象，针对其姿态控制系统，对基于扰动估计和补偿的鲁棒姿态控制方法进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下：
　　针对传统的鲁棒控制方法在系统存在较大不确定性和扰动时鲁棒稳定性和性能无法取得较好折衷的缺陷，本文提出了基于扰动估计和补偿的改进鲁棒控制方法，将作用在系统上的不确定性、扰动和模型非线性项均视为施加在输入通道的等效输入扰动，然后通过设计线性的广义扩张状态观测器对该扰动进行实时估计和补偿，使得作用在系统上的不确定性和扰动减小，进而可通过鲁棒控制方法来设计控制器满足闭环系统的跟踪性能、限制控制量和鲁棒稳定性等多种性能指标的要求。同时，对考虑广义扩张状态观测器特性下的闭环稳定性进行了分析。本文提出的方法不需要精确的系统模型和关于扰动的先验信息，不要求系统的全状态可用，具有较强的适用性。对某型战术导弹工程算例，分别采用两种基于扰动估计和补偿的鲁棒控制方法对其纵平面姿态控制系统进行了设计，并在考虑参数不确定性、扰动和噪声的条件下同单独采用H?混合灵敏度方法设计的控制器进行了性能仿真对比，验证了所提方法的可行性和优越性。
　　将提出的基于扰动估计和补偿的鲁棒控制方法应用到导弹三通道的姿态控制系统设计之中。针对导弹通道间存在较强耦合特性，为了应用所提出的方法，本文将耦合项也视为三通道的等效输入扰动的来源，实现三通道的解耦和线性化，进而通过广义扩张状态观测器对扰动进行估计和补偿。三通道剩余的线性部分则可通过鲁棒控制理论设计相应的控制器来满足多种闭环性能指标。在此架构下，三通道的设计方法统一，调参方法一致，大大简化了三通道控制系统的设计。对以BTT方式机动的近程战术弹道导弹工程算例的三通道控制系统进行了设计，对攻角、侧滑角和滚动角进行跟踪稳定控制。对控制系统设计中的参数选择问题进行了一定研究和探索，为将本文提出的方法应用到其它控制对象提供了一定的指导原则。最后通过六自由度全弹道仿真和拉偏分析对控制系统的性能进行了验证。仿真结果表明，所设计的控制系统在多种不确定性、测量噪声和扰动的作用下仍具有较好的跟踪性能，充分验证了本文提出的基于扰动估计和补偿的鲁棒控制方法的有效性和鲁棒性。
　　本文对导弹的鲁棒姿态控制方法进行了较为系统的研究，论文的研究成果对于高精度、强鲁棒性控制方法的研究具有一定的理论意义，可为复杂干扰条件和不确定性下的飞行器控制系统提供一定的设计参考和工程实现途径。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 相关姿态控制方法及其应用

1.3 论文研究内容与组织结构

第二章 鲁棒控制的基本理论

2.1 性能指标和范数

2.2 不确定性和鲁棒性

2.3 鲁棒控制常用设计方法

2.4 本章小结

第三章 导弹数学模型的建立

3.1 相关坐标系及其转换关系

3.2 BTT导弹运动模型的建立

3.3 BTT导弹三通道耦合姿态运动模型

3.4 本章小结

第四章 基于扰动估计和补偿的鲁棒控制方法研究

4.1 基于EID-GESO的鲁棒多目标控制

4.2 基于EID-GESO的H?混合灵敏度控制

4.3 仿真算例验证和方法对比分析

4.4 本章小结

第五章 控制系统设计和性能验证

5.1 弹道设计模型

5.2 三通道控制系统设计

5.3 六自由度弹道仿真

5.4 本章小结

结 束 语

论文主要研究内容和成果

下一步研究建议和展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果