基于預(yù)測控制的大氣層外KKV制導(dǎo)控制規(guī)律研究.pdf

1、高精度目標(biāo)檢測、快速響應(yīng)的直接側(cè)向力制導(dǎo)與控制技術(shù)，是動能攔截器實現(xiàn)對目標(biāo)直接碰撞攔截的關(guān)鍵。由于采用成像導(dǎo)引頭，彈-目相對距離、相對速度無法直接測量，只能利用導(dǎo)引頭測量得到的角度信息對其進(jìn)行估計，受到可觀性的限制，估計精度有限，因此，必須設(shè)計對估計誤差具有較好魯棒性的導(dǎo)引律。此外，攔截器的姿態(tài)控制和軌道控制都是通過安裝在彈體上脈沖發(fā)動機(jī)實現(xiàn)的，由于發(fā)動機(jī)只能提供常值推力，因此，設(shè)計控制律時必須考慮控制量的特點(diǎn)。已有研究結(jié)果表明，預(yù)測控

2、制方法是解決控制受限問題最有效的方法，而且預(yù)測導(dǎo)引律對于大氣層外攔截器來說也是一種性能優(yōu)越的導(dǎo)引律，研究基于預(yù)測控制方法的制導(dǎo)控制問題具有重要的理論意義和實際工程價值。
　　本文針對大氣層外攔截器的工作特點(diǎn)，對基于預(yù)測控制的開關(guān)式制導(dǎo)控制規(guī)律進(jìn)行了研究。
　　首先，結(jié)合大氣層外攔截器結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，建立了攔截器制導(dǎo)和控制問題的數(shù)學(xué)描述。在姿態(tài)控制建模中考慮了軌控發(fā)動機(jī)安裝的推力偏心和質(zhì)心漂移引起的干擾力矩。根據(jù)捷聯(lián)成像系

3、統(tǒng)的工作原理，給出了制導(dǎo)控制需要的慣性視線轉(zhuǎn)率和慣性視線角的提取算法，為制導(dǎo)控制規(guī)律設(shè)計及仿真研究奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，應(yīng)用非線性系統(tǒng)可觀性分析方法分析了彈-目相對距離的可觀性，揭示了系統(tǒng)可觀性矩陣奇異值與可觀性之間的關(guān)系。結(jié)合被動測距的特點(diǎn)及末制導(dǎo)要求，提出了應(yīng)用滾動時域濾波方法進(jìn)行彈-目相對距離估計時誤差界的計算方法，并對濾波器參數(shù)的選擇方法進(jìn)行了研究。
　　再次，對于開關(guān)控制輸入線性系統(tǒng)，提出了一種魯棒變時域預(yù)測控制

4、方法，應(yīng)用約束“緊縮”的方法，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整約束集，在保證算法魯棒性的同時，大大降低了算法的在線計算量，給出了開關(guān)控制量情況下，預(yù)測控制優(yōu)化問題可行解的構(gòu)造方法，并給出了系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)入給定目標(biāo)集的最大步數(shù)。為了保證開關(guān)控制輸入系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了魯棒控制不變集的構(gòu)造方法?？紤]導(dǎo)引頭視場約束條件下，應(yīng)用提出的預(yù)測控制方法設(shè)計了開關(guān)式姿態(tài)控制律，解決了干擾力矩存在情況下目標(biāo)脫離視場問題。
　　然后，對于開關(guān)控制輸入不確定非線性系統(tǒng)，提出

5、了一種基于Fliess函數(shù)展開的預(yù)測控制方法。應(yīng)用非線性系統(tǒng)的Fliess函數(shù)展開方法，推導(dǎo)了系統(tǒng)輸出預(yù)測值與系統(tǒng)當(dāng)前時刻狀態(tài)、不確定性以及開關(guān)控制輸入之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過選擇二次型代價函數(shù)，給出了預(yù)測控制所對應(yīng)優(yōu)化問題的描述?？紤]到有界不確定性情況，提出了一種應(yīng)用非線性規(guī)劃求解優(yōu)化問題的方法，有效地解決了開關(guān)控制輸入不確定非線性系統(tǒng)的設(shè)計問題。應(yīng)用本文所提出的預(yù)測控制方法設(shè)計了開關(guān)式導(dǎo)引律。在開關(guān)式導(dǎo)引律設(shè)計過程中，考慮了彈-

6、目相對距離的估計誤差和導(dǎo)引頭測量噪聲，將其作為不確定性進(jìn)行考慮，推導(dǎo)了所設(shè)計導(dǎo)引律對應(yīng)的開關(guān)曲線，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Lyapunov方法證明了末制導(dǎo)系統(tǒng)是有限時間穩(wěn)定的。
　　最后，對某型大氣層外攔截器制導(dǎo)控制規(guī)律設(shè)計進(jìn)行了研究。根據(jù)給定的系統(tǒng)參數(shù)和指標(biāo)要求，確定了控制設(shè)計時的一些主要參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文提出的方法設(shè)計了開關(guān)式姿態(tài)控制律和導(dǎo)引律，并對整個開關(guān)式制導(dǎo)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。通過仿真分析，研究了推力偏心、質(zhì)心漂