制导炮弹气动参数辨识与一体化导引控制律设计研究

摘要

间瞄火炮武器系统在战场中反应迅速，能够提供强大且持续的火力支援，是未来部队联合作战的重要组成单元。随着现代战争理念的发展，远程压制、精确打击及高效毁伤等成为适配智能弹药的重点发展方向。制导炮弹的导引与控制系统是其实现精确打击的关键所在。受发射平台限制，制导炮弹的控制能力有限。导引控制一体化设计可以充分考虑导引与控制系统之间的耦合关系，确保级联系统整体上的稳定性，从而能够充分挖掘制导炮弹的潜力，提高其命中精度。良好的导引与控制系统的设计依赖于可靠的动力学模型和参数。因此，本文以采用气动舵面控制的制导炮弹为研究对象，研究了两个方面的关键技术:其一为动力学建模方面的利用飞行试验数据辨识气动参数的问题;其二为制导控制方面的导引控制系统一体化设计问题。 首先，给出了制导炮弹的几种不同形式的六自由度刚体动力学模型，从控制的角度阐述了不同气动布局的特性。制导炮弹采用六自由度刚体动力学模型进行描述，将目标假设为可控质点，建立了“刚体—质点”型导引控制一体化设计模型。该模型不仅可以反映制导炮弹和目标的相对运动关系，同时可体现制导炮弹在末制导飞行过程中的姿态变化。 接着，研究了利用飞行试验数据辨识气动参数的问题。将待辨识阻力系数扩展为系统状态，将参数辨识问题转化为状态估计问题，提出了一种基于改进形式混杂扩展卡尔曼滤波的阻力系数辨识方法。通过在滤波过程中，引入虚拟过程噪声并且在每个时间步长对称化协方差矩阵，有效的抑制了由于建模误差以及弹载计算机的精度有限等因素引起的发散问题。针对利用飞行试验数据辨识制导炮弹纵向气动参数的问题，提出了一种基于人工鱼群算法的最大似然辨识方法，克服了传统最大似然估计方法中牛顿-拉弗森的寻优对初值敏感的问题。针对制导炮弹侧向气动参数辨识问题，辨识过程采用递推傅里叶变换回归方法，研究了不同激励信号和不同信噪比对气动参数辨识结果的影响，给出了不同辨识精度对应的信噪比范围，为飞行试验的设计提供参考。 然后，从最优控制的角度研究了导引控制一体化设计问题。从最优控制的角度阐释了经典三回路自动驾驶仪和比例导引律以及几种常见导引律的结构来源。针对鸭式气动布局制导炮弹打击常值机动目标的情形，提出了两种基于线性二次型最优状态调节方法的一体化导引控制律。仿真结果表明，所提出的基于线性二次型最优状态调节方法的单回路一体化导引控制律和两回路一体化导引控制律都可以使得脱靶量在末制导结束时刻收敛于零，即可以有效命中目标，且不存在末端法向过载发散的问题。针对正常式气动布局制导炮弹打击周期性机动目标的情形，考虑气动非线性问题，提出了两种基于有限时间状态依赖非线性最优控制方法的一体化导引控制律。仿真结果表明，两种一体化导引控制律都可以使得末端脱靶量为零，与独立设计的导引控制系统相比，整个末制导过程中过载性能良好，不存在制导末端过载发散的问题。 最后，从鲁棒控制的角度研究了导引控制一体化设计问题。针对制导炮弹打击机动目标的末制导过程，考虑气动参数的不确定性以及未知有界的目标机动策略，提出了一种基于准连续二阶滑模控制方法的一体化导引控制律。依据Lyapunov稳定性理论证明了所提出的一体化导引控制律能够使弹目视线角速率在有限时间收敛并保持到零。针对制导炮弹打击机动目标的末制导过程，考虑测量信息受限、弹体气动参数的不确定性以及目标未知有界的机动策略，提出了一种基于滑模观测器的鲁棒变结构两回路一体化导引控制律，依据Lyapunov稳定性理论证明了其有效性。仿真结果表明，该方法具有高命中精度和良好的过载特性。针对制导炮弹打击机动目标时带攻击角约束的末制导问题，考虑自动驾驶仪动态特性对制导回路的影响，结合积分滑模与动态面控制方法，设计了一种新型鲁棒末制导律。依据Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统中视线角速率与视线角偏差均最终一致有界任意小，即实现了以一定的攻击角命中目标。仿真结果表明，所提出的新型鲁棒末制导律，在存在目标机动不确定及自动驾驶仪含扰动的条件下，可使制导炮弹以给定的攻击角以高精度命中目标且过载特性良好。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2气动参数辨识问题及其研究现状

1．2．1 气动参数辨识问题

1．2．2气动参数辨识的研究现状

1．3导引控制一体化设计问题及其研究现状

1．3．1 导引控制一体化设计问题

1．3．2导引控制一体化设计的研究现状

1．4本文的主要内容和结构安排

2气动参数辨识与一体化导引控制设计数学模型

2．1常用坐标系及其转换关系

2．1．1常用坐标系

2．1．2 常用坐标系之间的转换矩阵

2．2制导炮弹的气动布局特性

2．3作用于制导炮弹的空气动力和空气动力矩

2．4制导炮弹6自由度刚体运动模型

2．4．1 基本假设

2．4．2动力学方程

2．4．3 质心动力学方程的另外两种形式

2．4．4 运动学方程

2．4．5控制关系方程

2．4．6刚体运动方程组汇总

2．5三维非线性弹目相对运动模型

2．6本章小结

3制导炮弹气动参数辨识

3．1基本概念与理论基础

3．2基于改进型混杂扩展卡尔曼滤波的阻力系数辨识

3．2．1 问题描述

3．2．2基于改进的混杂扩展卡尔曼滤波方法的阻力系数辨识

3．2．3数值仿真与结果分析

3．3基于人工鱼群算法的最大似然气动参数辨识

3．3．1 问题描述

3．3．2基于人工鱼群算法的最大似然估计

3．3．3数值仿真与结果分析

3．4基于递推傅里叶变换的实时气动参数辨识

3．4．1 问题描述

3．4．2递推傅里叶变换回归方法

3．4．3数值仿真与结果分析

3．5本章小结

4制导炮弹最优导引控制系统分析与设计

4．1基本概念与理论基础

4．2传统导引控制系统的最优设计

4．2．1 经典三回路自动驾驶仪的最优设计

4．2．2 几种常见导引律的的最优设计

4．3基于LQR方法的导引控制一体化设计

4．3．1 问题描述

4．3．2基于LQR方法的导引控制一体化设计

4．3．3数值仿真与结果分析

4．4基于Finite-SDRE的非线性最优一体化导引控制律

4．4．1 问题描述

4．4．2 SDRE和Finite-SDRE非线性最优控制方法

4．4．3非线性最优一体化导引控制律设计

4．4．4数值仿真与结果分析

4．5本章小结

5制导炮弹鲁棒一体化导引控制律设计

5．1基本概念与理论基础

5．2基于二阶滑模的鲁棒一体化导引控制律

5．2．1 问题描述

5．2．2基于二阶滑模的鲁棒一体化导引控制律设计

5．2．3数值仿真与结果分析

5．3基于滑模观测器的鲁棒变结构一体化导引控制律

5．3．1 问题描述

5．3．2基于滑模观测器的鲁棒一体化导引控制律设计

5．3．3数值仿真与结果分析

5．4考虑末端攻击角约束的鲁棒一体化导引控制律

5．4．1 问题描述

5．4．2含攻击角约束的鲁棒导引控制一体化设计

5．4．3数值仿真与结果分析

5．5本章小结

6总结与展望

6．1论文工作总结

6．2主要创新点

6．3研究工作展望

致谢

附录

参考文献