非線性模型預(yù)測(cè)控制方法在滑翔彈道控制中的應(yīng)用研究.pdf

1、滑翔增程是目前采用的較為有效的一種彈箭增程技術(shù)。制導(dǎo)炮彈要通過無動(dòng)力滑翔飛行達(dá)到“遠(yuǎn)射程、大落角、高精度”的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求，先要對(duì)其滑翔彈道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，且制導(dǎo)炮彈滑翔啟控點(diǎn)散布大和其飛行過程是一個(gè)非線性的、時(shí)變的、有約束的和受外界隨機(jī)干擾影響的控制過程，還要對(duì)其飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行良好設(shè)計(jì)。針對(duì)以上制導(dǎo)炮彈滑翔增程技術(shù)需求，本文研究了制導(dǎo)炮彈彈道優(yōu)化，并基于非線性模型預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。本文的主要主要工作和意義有以下幾個(gè)方面：

2、
　　 1)根據(jù)鴨式布局制導(dǎo)炮彈的氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了其六自由度飛行力學(xué)模型。基于“瞬時(shí)平衡”假設(shè)，對(duì)制導(dǎo)炮彈的全彈道剛體運(yùn)動(dòng)方程組進(jìn)行簡化，建立了縱向平面內(nèi)炮彈滑翔飛行的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程，為研究制導(dǎo)炮彈在縱向平面內(nèi)的最優(yōu)滑翔飛行提供了數(shù)學(xué)模型。
　　 2)基于縱向平面內(nèi)制導(dǎo)炮彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合約束條件與最大射程目標(biāo)函數(shù)，建立了滑翔最大射程彈道優(yōu)化模型。以直接參數(shù)化法和序列二次規(guī)劃(SQP)方法相結(jié)合的優(yōu)化算法，作為

3、制導(dǎo)炮彈彈道優(yōu)化的算法。將常規(guī)無滑翔最大射程彈道與滑翔最大射程彈道進(jìn)行比較，得到了滑翔段彈道區(qū)別于常規(guī)彈道的一些彈道特性。并將考慮了控制余量的滑翔彈道作為滑翔控制跟蹤的方案彈道。
　　 3)提出了采用具有解析形式控制律的非線性預(yù)測(cè)控制(簡記為ANMPC)方法來設(shè)計(jì)制導(dǎo)炮彈滑翔控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑翔方案彈道的跟蹤控制。為了設(shè)計(jì)方便，將控制器分成質(zhì)心外回路和姿態(tài)內(nèi)回路兩個(gè)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。質(zhì)心外回路(ANMPC質(zhì)心控制器)實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)心位置(高

4、度和側(cè)偏)指令的跟蹤，并獲得攻角和側(cè)滑角指令。姿態(tài)內(nèi)回路包含ANMPC姿態(tài)控制器和ANMPC傾斜穩(wěn)定控制器，其中ANMPC姿態(tài)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)攻角和側(cè)滑角指令的跟蹤控制，獲得升降舵偏角和方向舵偏角；而ANMPC傾斜穩(wěn)定控制器則實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定，獲得副翼偏角。為了分析ANMPC控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)，即控制階數(shù)和預(yù)測(cè)時(shí)域，對(duì)控制器性能的影響規(guī)律，以ANMPC控制器姿態(tài)內(nèi)回路為例進(jìn)行了仿真分析。在獲得設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)控制性能的影響規(guī)律之后，根據(jù)控制器性能要

5、求確定了控制階數(shù)和預(yù)測(cè)時(shí)域，并對(duì)ANMPC控制器應(yīng)用于制導(dǎo)炮彈滑翔控制進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明ANMPC控制器具有良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)滑翔增程的目的。
　　 4)研究了基于序列二次規(guī)劃(SQP)的非線性模型預(yù)測(cè)控制(SNMPC)在制導(dǎo)炮彈滑翔段控制中的應(yīng)用，對(duì)于可能在制導(dǎo)炮彈滑翔段控制中應(yīng)用的各種形式的SNMPC方法，包括經(jīng)典SNMPC、多速率SNMPC和實(shí)時(shí)SNMPC，進(jìn)行詳細(xì)介紹、仿真和分析，目的在于尋找適合于制導(dǎo)炮彈快

6、變動(dòng)態(tài)特性的SNMPC。三種SNMPC的控制效果基本相同，但經(jīng)典SNMPC控制律求解最慢，多速率和實(shí)時(shí)SNMPC控制律求解較快。通過對(duì)這些SNMPC方法進(jìn)行分析改進(jìn)，最終提出了改進(jìn)型實(shí)時(shí)SNMPC方法。此改進(jìn)型實(shí)時(shí)SNMPC方法在減小在線優(yōu)化中的待優(yōu)變量數(shù)量的基礎(chǔ)上充分利用優(yōu)化過程中的有用信息實(shí)現(xiàn)了控制律的快速求解，因此比較適合運(yùn)用于設(shè)計(jì)制導(dǎo)炮彈滑翔控制器。
　　 5)提出了一種新的組合型NMPC(INMPC)方法，此INMPC

7、方法綜合了SNMPC方法和ANMPC方法的優(yōu)點(diǎn)，SNMPC方法能顯式地處理有約束的控制問題，ANMPC方法能快速求解控制律。通過SNMPC方法和ANMPC方法的合理組合得到的組合型NMPC方法，克服了SNMPC方法的控制延遲和ANMPC方法沒有考慮約束的缺點(diǎn)。因此，INMPC方法更適合于制導(dǎo)炮彈快變動(dòng)態(tài)特性，并能滿足其控制的約束條件。設(shè)計(jì)了制導(dǎo)炮彈INMPC滑翔控制器，通過仿真表明INMPC控制器能滿足制導(dǎo)炮彈非線性、多約束和快時(shí)變的特