三维导引与控制律一体化设计研究

发布时间：2020-08-28 20:45

　　传统的导引律设计是把制导回路和姿态控制回路分开独立设计,还把三维空间中的制导问题分解到两个平面进行单独设计,所以大多数导引律都是在俯仰平面内制导回路的模型基础上进行研究的。制导回路和姿态控制回路分开独立设计是基于控制回路具有零反应速度的假设,实际上却存在着动态延迟特性,而把三维制导问题分解到两个平面,也忽略了各个通道间的耦合项,现代科学技术的进步使得目标飞行器可以做大幅度逃逸动作,对拦截导弹的制导精度有较高的要求,这种分开独立设计的方法越来越不能满足实际的作战需求。本文以导弹对空中机动目标进行拦截为背景,在三维空间中,将制导回路和姿态回路作为一个整体来研究,推导了三维制导与控制一体化模型,设计了三维制导与控制一体化导引律,主要工作包括:首先,推导了三维空间中导弹制导与控制一体化模型。将导弹和目标视为质点,从它们的相对运动关系得到三维导引回路模型,再对导弹的姿态控制回路进行建模,得到六自由度非线性模型。通过速度矢量在各个坐标系间的变换,用求得的导弹加速度将两个模型联系起来,推导了三维空间中制导控制一体化模型。该模型可以反映导弹飞行过程中的各个姿态角的变化情况,还可以反映导弹和目标之间的相对运动关系,是一体化导引律设计的基础。然后,研究了三维空间中不完全的制导与控制一体化导引律的设计,将姿态控制回路(自动驾驶仪)视为二阶动态特性,其比一阶动态特性更加符合实际,结合三维导引回路模型,进行了三维导引律的设计和有限时间三维导引律的设计。利用输入-状态稳定性(ISS)理论和反步设计法提出了基于自动驾驶仪二阶动态特性的三维导引律,利用有限时间ISS理论和反步设计法提出了基于自动驾驶仪二阶动态特性的有限时间三维导引律。通过跟踪微分器技术解决了反步设计法中的“计算膨胀”问题,简化了导引律的设计,便于实际应用。最后,设计了三维空间中完全的制导与控制一体化导引律,即在三维制导与控制一体化模型的基础上,利用小增益定理和ISS理论直接进行导引律的设计。对于STT导弹需要保持倾侧角为零,利用攻角和侧滑角产生制导指令的特点,进行了 STT导弹的三维制导控制一体化导引律的设计;对于BTT导弹需要保持侧滑角为零,利用攻角和倾侧角产生制导指令的特点,进行了 BTT导弹的三维制导控制一体化导引律的设计。所设计的导引律都可以对空中运动信息未知的目标进行精确拦截,理论分析和数值仿真都验证了所提出的导引律的有效性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TJ765
【部分图文】：

惯性坐标系,导弹,速度矢量,右手定则

并且满足右手定则。逡逑0ｘ３ｙ３２：３逡逑３ｙ３ｚ３与导弹的速度矢量Ｖ■固连，是动０：ｒ３轴与导弹质心的速度矢量Ｖ重合；轴，指向上为正；轴方向与０；＾弹道坐标系的区别在于Ｏｙ３轴在弹体。逡逑Ｏ．Ｘ４ｙ４２４逡逑的原点？为导弹的质心；０；ｒ４轴与正；Ｏｙ４轴位于０＿ｒ４轴所在的铅垂平面轴与其他两轴垂直并且构成右手坐标系间的转换及欧拉角定义逡逑标系与弹体坐标系逡逑Ｙ＇逡逑

惯性坐标系,一体化模型,姿态角,弹体

第２章导弹三维制导控制一体化模型逡逑果弹体向右倾斜，即0讲轴在包含Ｏ。逡逑姿态角后，可得由参考惯性坐标系到ｃｏｓｄｃｏｓｉｊｊ逦ｓｉｒｖｄｏｓ＾ｃｏ＋邋ｓｉｎ＾ｓｉｎ＾邋ｃｏｓｄｃｏｓ＾ｙ邋ｓｉｓ＾ｓｉｎ＾邋＋邋ｓｉｍｐｃｏｓ＾邋—ｃｏｓｄｓｉｎ＾邋—ｓ系与弹道坐标系逡逑ｙ＇逡逑

弹体,对称平面,变换矩阵,矢量

图２．３速度坐标系与弹体坐标系的关系逡逑度矢量Ｖ与弹体纵向对称平面间的向弹体，则所对应的／５为正；反之为弹体坐标系的变换矩阵为逡逑ｃｏｓａｃｏｓｐ邋ｓｉｎａ邋—ｃｏｓａｓｉｎｆ３逡逑，邋ａ）邋＝邋—ｓｉｎａｃｏｓ／３邋ｃｏｓａ邋ｓｉｎａ邋ｓｉｎ邋（３ｓｉｎ／３邋０邋ｃｏｓ／３逡逑弹道坐标系逡逑Ｗ邋／ｙ３逡逑

【参考文献】