鲁棒非线性导引与控制律一体化设计研究

摘要

精确打击能力是现代国防对导弹武器的要求，飞行控制和制导算法是实现导弹精确打击目标的关键所在。导引与控制一体化设计可综合协调各个子系统之间的关系，确保级联系统整体上具有稳定性，从而能够充分挖掘导弹的潜力，提高导弹的精确打击能力。本文以寻的导弹打击机动或地面固定目标为背景，研究了不基于视线角速率测量信息的导引规律和末制导阶段的导引与控制一体化模型和设计方法，主要内容包括:
　　 首先，研究了导弹导引与控制一体化非线性模型。在导弹六自由度非线性模型和导弹与目标相对运动模型的基础上，通过坐标变换，以导弹在弹道坐标系和视线坐标系中的加速度分量为桥梁，考虑所拦截目标具有机动飞行的能力，建立了导引与控制一体化非线性模型。该模型不仅可反映导弹与目标的相对运动关系，也可体现导弹在飞行过程中姿态变量（攻角、俯仰角及其角速率等）的变化。
　　 其次，研究了不基于视线角速率测量信息的三维导引律设计问题。考虑机动目标拦截问题，首先在所有状态都可测的情况下，基于输入-状态稳定性(ISS)理论设计了一种使视线角速率对目标机动具有ISS稳定性的导引律(ISS导引律)，理论分析表明这种导引律可通过调节系数使视线角速率收敛到零点的任意小邻域内，并通过数值仿真验证了该导引律的有效性。在实际空战中，测量得到的视线角速率可能混杂了导弹自身的姿态角速率，这使得视线角速率的测量值不准确，从而影响制导精度，因此本文在上述的ISS导引律的基础上引入高增益观测器对视线角速率进行估计，理论分析和数值仿真表明这种加入了观测器的导引律可重现ISS导引律的性能。
　　 然后，将导引与控制一体化模型简化为平面模型后，研究了俯仰平面内导引与控制律的一体化设计问题。针对俯仰平面内具有单控制输入（俯仰舵）的导弹打击高速机动目标问题，利用反步设计法设计了一体化导引-控制律，并结合自适应控制方法处理模型中的非线性。由于俯仰舵在攻角较大的情况下具有气动饱和特性，可能会使导弹的机动能力受到限制，特别是对于弹体较长的导弹，若同时使用俯仰舵和尾翼对导弹进行操控则可增强其机动能力，因此针对俯仰平面内具有俯仰舵和尾翼的导弹打击地面固定目标问题，在不忽略舵面对攻角直接影响的情况下，利用小增益定理设计了可使导弹以一定角度准确打击目标的导引与控制方案，并证明了将其与ISS导引律结合后，也可用于打击机动目标。本文所设计的一体化导引-控制律均不基于视线与导弹速度方向夹角很小的假设，理论分析和数值仿真表明，所设计的一体化导引-控制律在获得满意打击效果的同时可确保由导弹的导引系统和控制系统组成的综合系统具有稳定性。
　　 最后，本文在考虑导弹控制系统动态特性和不确定性的情况下，研究了近似的导引与控制系统一体化设计问题。由于三维的导引与控制一体化模型较为复杂，直接基于此模型设计三维的一体化导引-控制律比较困难，为了提高导弹的打击能力，可设计近似的一体化导引-控制律——在设计导引律时考虑导弹控制系统的动态特性和不确定性。本文在导弹控制系统可近似为一阶环节和二阶环节的情况下，分别利用分块反步设计法和小增益定理在弹道坐标系中研究了近似的三维导引与控制设计问题，所设计的控制方案可克服导弹控制系统的动态特性对制导效果的影响，并对导弹控制系统的不确定性和目标机动具有鲁棒性，数值仿真验证了其有效性。

目录

声明

摘要

插图

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 导引与控制律一体化设计的背景及意义

1．2 导引与控制律一体化设计的研究现状

1．2．1 导引与控制一体化设计方法

1．2．2 近似的导引与控制一体化设计

1．2．3 目前主要存在的问题

1．3 本文主要内容及章节安排

第二章 导弹导引与控制一体化非线性模型

2．1 引言

2．2 常用坐标系及其转化关系

2．2．1 常用坐标系

2．2．2 各坐标系间的转化

2．3 导弹六自由度非线性模型

2．3．1 导弹运动学方程组

2．3．2 导弹动力学方程组

2．3．3 角度计算方程组

2．4 导弹—目标相对运动模型

2．5 导弹导引与控制一体化非线性模型

2．6 本章小结

第三章 不基于视线角速率测量信息的三维导引律设计

3．1 引言

3．2 基本概念及理论基础

3．2．1 相关的稳定性概念

3．2．2 高增益观测器

3．3 基于ISS稳定性理论的导引律

3．3．1 控制律设计

3．3．2 数值仿真

3．4 无视线角速率测量信息的导引律

3．4．1 控制律设计

3．4．2 数值仿真

3．5 本章小结

第四章 俯仰通道导引与控制律一体化设计

4．1 引言

4．2 控制理论基础

4．2．1 反步设计法(backstepping)

4．2．2 广义小增益定理

4．3 具有单控制输入导弹的导引与控制律一体化设计

4．3．1 俯仰平面内具有单控制输入导弹的导引与控制一体化模型

4．3．2 控制律设计

4．3．3 数值仿真

4．4 具有双控制输入导弹的导引与控制律一体化设计

4．4．1 俯仰通道内具有双控制输入导弹的导引与控制一体化模型

4．4．2 针对地面固定目标的导引与控制律一体化设计

4．4．3 针对机动目标的导引与控制律一体化设计

4．4．4 数值仿真

4．5 本章小结

第五章 近似的三维导引与控制一体化设计

5．1 引言

5．2 分块反步设计方法

5．3 导弹控制系统可近似为一阶环节时的导引与控制一体化设计

5．3．1 鲁棒非线性控制研究

5．3．2 鲁棒导引律设计

5．3．3 数值仿真

5．4 导弹控制系统可近似为二阶环节时的导引与控制一体化设计

5．4．1 控制律设计

5．4．2 数值仿真

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果