控制受限的導引與控制一體化設(shè)計.pdf

1、導彈的導引與控制系統(tǒng)是關(guān)系其飛行成敗和實現(xiàn)精確打擊的關(guān)鍵系統(tǒng)。導引與控制一體化設(shè)計在提高導彈綜合性能方面擁有傳統(tǒng)設(shè)計方法無可比擬的優(yōu)勢，使得它逐漸成為研制高性能導彈的一種潛在趨勢。然而，現(xiàn)有的關(guān)于導引與控制一體化設(shè)計的文獻中，只有少數(shù)考慮了通道間的耦合，而且這些算法大都比較復雜，難以保障系統(tǒng)的魯棒性，對于系統(tǒng)的典型狀態(tài)（如攻角、側(cè)滑角、終端姿態(tài)角）和輸入受限之類必須滿足的約束條件沒有加以考慮，這就大大限制了它們的工程實用性。本文致力于考

2、慮系統(tǒng)典型狀態(tài)受約束和輸入受限的導引與控制一體化設(shè)計方法研究。在導彈導引與控制一體化模型存在未建模動態(tài)和外界干擾等情況下，結(jié)合backstepping方法，動態(tài)面控制設(shè)計，指令濾波設(shè)計以及自適應(yīng)控制律分別研究了控制受限的三通道獨立設(shè)計的導引與控制一體化系統(tǒng)，帶末角約束的導引與控制一體化系統(tǒng)和導引與控制一體化全狀態(tài)耦合系統(tǒng)。本文的主要工作包括：
　　首先研究了一類不確定非線性系統(tǒng)在控制受限情況下的魯棒自適應(yīng)控制律設(shè)計。由于飽和函數(shù)的

3、不光滑性，其不滿足backstepping控制方法對函數(shù)可微的要求，為便于控制器設(shè)計，引入一類光滑函數(shù)并構(gòu)造一個輔助系統(tǒng)將原系統(tǒng)增廣。然后利用Nussbaum函數(shù)來處理逼近飽和函數(shù)帶來的非線性。此外，這類下三角形式的非線性系統(tǒng)既含有不匹配不確定性也含有匹配不確定性，這些不滿足線性參數(shù)化的不確定性是有界的但界未知，結(jié)合魯棒自適應(yīng)方法實現(xiàn)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定，并給出了暫態(tài)跟蹤誤差性能的解析解。所提的控制算法不僅能解決控制受限問題，對于其他有界非線性量

4、可以被有界光滑非線性函數(shù)替代的情況也是同樣適用的，這是對常規(guī)backstepping控制方法的改進和擴展。
　　導引與控制一體化三通道獨立設(shè)計模型可以抽象成為一類典型的嚴反饋不確定非線性系統(tǒng)。利用上面提出的魯棒自適應(yīng)控制方法，進一步考慮尋的導彈舵偏角幅值限制的導引與控制一體化設(shè)計。結(jié)合導引與控制一體化系統(tǒng)本身的特點，通過改進輸入飽和的理論設(shè)計方法，最終實現(xiàn)導彈在舵偏角受限、自身不確定性和外界干擾的情況下能夠穩(wěn)定飛行。將六自由度非線

5、性仿真結(jié)果和沒有考慮執(zhí)行機構(gòu)飽和的情況進行了對比，所提的方法使得系統(tǒng)性能得到了明顯的改善，驗證了所提方法的有效性。
　　接著，基于導引與控制一體化三通道獨立設(shè)計的模型，進一步研究導彈典型狀態(tài)受約束和舵機受限的問題。在導引與控制一體化設(shè)計中引入指令濾波方法，不僅可以對狀態(tài)信號和輸入控制的幅值、速率和帶寬進行限幅，又避免了傳統(tǒng)的backstepping控制方法對虛擬控制量進行微分計算所帶來的級數(shù)膨脹問題。進一步考慮了執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)特性受

6、限的一體化設(shè)計，輔助系統(tǒng)用以分析飽和的影響，自適應(yīng)用以補償時變系統(tǒng)的未知不確定性，基于二次型Lyapunov函數(shù)進行了穩(wěn)定性分析，保證導彈的所有狀態(tài)信號最終一致有界，最終使得視線角速率誤差收斂到零點附近的任意小區(qū)域內(nèi)。仿真實驗驗證了所提方案的有效性。
　　然后在前面研究的基礎(chǔ)上，考慮同時具有末角約束和輸入飽和的導引與控制一體化設(shè)計方法。針對實際系統(tǒng)俯仰通道本身的特點，對考慮執(zhí)行器飽和的魯棒自適應(yīng)控制器設(shè)計算法進行改進。之后將相似的

7、控制算法分別應(yīng)用于偏航和滾轉(zhuǎn)通道，最終將三個通道控制設(shè)計算法組合在一起便構(gòu)成了控制受限的一體化控制算法。進一步利用自適應(yīng)指令濾波控制算法對導彈其他相關(guān)狀態(tài)進行限制，導彈的六自由度非線性數(shù)值仿真表明了在滿足約束條件的情況下，導彈可以穩(wěn)定飛行并以期望的姿態(tài)角命中目標。驗證了所提的導引與控制一體化設(shè)計方案的合理性和有效性。
　　最后，針對導引與控制一體化全耦合設(shè)計中的問題開展研究?；陬A(yù)測控制方法提出一種新穎的反步控制方法，通過調(diào)節(jié)權(quán)重