有限时间收敛的终端约束制导方法研究

发布时间：2020-07-30 14:29

【摘要】：对于寻的制导鱼雷,脱靶量已经不是唯一的技术指标,进一步提高鱼雷打击目标的精度或者实现一些特殊的战术打击要求也越来越显示出其重要性,尤其是目标加速度未知扰动、制导指令奇异等问题以及终端交会约束(交会角度或者交会时间约束)等要求的存在,这无疑大大增加了鱼雷末端精确制导的难度。由于水下环境的影响,鱼雷在末制导段探测范围很小,必须通过合理的制导指令控制使弹道在制导前段有限时间内转化为平直,为实现上述特殊要求提供便利条件。针对这一问题,研究有限时间收敛的带终端交会角度/交会时间约束的非奇异精确制导律具有重要的战略意义和深远的应用前景。本文的主要工作及研究成果如下:(1)基于非线性收敛因子的有限时间收敛制导律设计针对传统滑模制导律选取的线性滑模面,存在收敛速度慢,即对收敛时间没有约束这一问题,本文对有限时间收敛滑模控制进行了探讨,并提出一种改进的终端滑模控制方法,通过引入非线性因子,并结合指数趋近律设计有限时间快速收敛制导律,满足系统快速性收敛要求。理论分析表明:所设计的制导律满足系统稳定性要求,并且仿真验证了其快速收敛的有效性,较传统滑模制导方法收敛速度更快,鲁棒性更强。(2)基于目标干扰估计的带交会角约束制导律设计针对目标加速度产生的未知扰动严重影响着鱼雷的制导精度这一问题。本文采用滑模控制思想,结合扩展状态观测器对干扰进行估计,分别设计了基于反演滑模和积分滑模控制的带交会角度约束制导律,两种制导律都能保证系统稳定。在所设计的制导律作用下,视线角变化率能够收敛到零,交会角度收敛到期望值。理论证实了制导系统的稳定性,仿真验证了本文所设计制导律的有效性。(3)基于非奇异滑模控制的带交会角约束制导律设计针对滑模控制可能出现的奇异问题,利用饱和函数的限幅特性,提出了基于饱和函数的非奇异滑模控制方法。然后,考虑到交会角度约束问题,设计了基于非奇异滑模控制方法与有限时间收敛理论的带交会角度约束制导律,分析了制导系统的稳定性,并具体讨论制导律的奇异与非奇异特性以及制导系统变量的有限时间收敛特性。最后,将自动驾驶仪动态特性考虑到制导系统模型中,并进行了仿真分析,验证了制导律的有效性及非奇异特性。(4)基于反馈线性化有限时间收敛的带交会角约束制导律设计针对反馈线性化控制只能实现渐近收敛这一问题,本文在采用反馈线性化方法的同时,结合有限时间收敛控制理论设计了两种带交会角度约束的非奇异快速收敛制导律。首先,将制导系统模型转换为可反馈线性化模型;进而,采用有限时间控制理论设计了控制律,并对控制律中存在的未知目标干扰进行估计,实现系统变量快速收敛到期望值。数值仿真表明,该带交会角度约束制导律能满足不同初始航向角和不同交会角度的约束条件要求,验证了本文制导律的快速收敛特性及鲁棒性。(5)基于剩余时间估计的带交会时间约束滑模制导律设计针对终端交会时间约束制导律存在收敛速度慢的问题,通过分析剩余交会时间估算方法,采用滑模控制理论与Lyapunov稳定性理论分析设计了带时间约束制导律。为了获取更快的收敛速度,将制导律分为等效控制和滑模控制,并采用分段函数的方法避免了可能出现的奇异值问题,仿真实验结果验证了该制导律的有效性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ765.3
【图文】：

鱼雷,鱼雷发射,地平面,重心运动

（１）地面坐标系逡逑确定重心运动时，应选取与地球固连的坐标系即地面坐标系．，如逡逑图２－１所示。逡逑坐标原点选取地面任意的适当位置，本文选取鱼雷发射点；轴处逡逑于地平面内指向某一适当位置，一般选取鱼雷发射方向，另外0ｅｘｅ轴方向也称逡逑为参考航向；0ｅＦｅ轴垂直于地面并指向上方，此轴也称为铅垂轴；０Ｊｅ轴处于逡逑地平面内，垂直与ｘｅ０ｅｙｅ平面，其方向按右手法则确定。用地面坐标系描述鱼雷逡逑的轨迹最为合适，任意时刻的坐标（ｘｆｔｙｅ，ｚｅ）决定了鱼雷重心的瞬时位置，函数逡逑确定了鱼雷重心的空间运动轨迹。逡逑ｔ邋ｔ逦＾逡逑ｙｅ邋ｙ，逡逑／．．．Ｘｉ逡逑／逡逑／逡逑／＃！逡逑／／７逡逑＾）逦逦逡逑0ｅ邋逦％逡逑，考ｚ逡逑／逡逑ｙ逡逑图２－１地面坐标系与弹体坐标系逡逑⑵弹体坐标系逡逑１７逡逑

鱼雷,弹体,重心运动,对称面

逡逑描述鱼雷转动的坐标系如图２－１所７Ｋ。该坐标系随鱼雷一■起运动，称逡逑之为弹体坐标系（假设弹体为轴对称）。原点0位于鱼雷重心处。三个坐标轴与弹体逡逑固连，０化轴位于弹体对称面内与弹体几何对称轴在同一方向上，并指向弹头，逡逑又可以称为弹体纵轴；0仇轴处于鱼雷纵对称面内，并垂直于0；＾轴，指向上方；逡逑轴垂直于；＾０奶平面，此轴又称为弹体横轴。逡逑⑶速度坐标系逡逑为确定作用在弹体上的流体动力，描述鱼雷重心速度向量Ｖ与弹体之间的相对位逡逑置，选取速度坐标系免}B，如图２－２所示。速度坐标系原点０位于鱼雷重心处。Ｑ？逡逑轴与鱼雷重心运动轨迹的切线方向一致，其正方向为鱼雷重心运动瞬时速度向量ｖ逡逑的方向

坐标系,鱼雷,姿态角

图２－３弹遣坐标系逡逑

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