控制受限的导引与控制一体化设计

发布时间：2017-09-03 23:18

  本文关键词：控制受限的导引与控制一体化设计

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【摘要】：导弹的导引与控制系统是关系其飞行成败和实现精确打击的关键系统。导引与控制一体化设计在提高导弹综合性能方面拥有传统设计方法无可比拟的优势,使得它逐渐成为研制高性能导弹的一种潜在趋势。然而,现有的关于导引与控制一体化设计的文献中,只有少数考虑了通道间的耦合,而且这些算法大都比较复杂,难以保障系统的鲁棒性,对于系统的典型状态(如攻角、侧滑角、终端姿态角)和输入受限之类必须满足的约束条件没有加以考虑,这就大大限制了它们的工程实用性。本文致力于考虑系统典型状态受约束和输入受限的导引与控制一体化设计方法研究。在导弹导引与控制一体化模型存在未建模动态和外界干扰等情况下,结合backstepping方法,动态面控制设计,指令滤波设计以及自适应控制律分别研究了控制受限的三通道独立设计的导引与控制一体化系统,带末角约束的导引与控制一体化系统和导引与控制一体化全状态耦合系统。本文的主要工作包括:首先研究了一类不确定非线性系统在控制受限情况下的鲁棒自适应控制律设计。由于饱和函数的不光滑性,其不满足backstepping控制方法对函数可微的要求,为便于控制器设计,引入一类光滑函数并构造一个辅助系统将原系统增广。然后利用Nussbaum函数来处理逼近饱和函数带来的非线性。此外,这类下三角形式的非线性系统既含有不匹配不确定性也含有匹配不确定性,这些不满足线性参数化的不确定性是有界的但界未知,结合鲁棒自适应方法实现系统的镇定,并给出了暂态跟踪误差性能的解析解。所提的控制算法不仅能解决控制受限问题,对于其他有界非线性量可以被有界光滑非线性函数替代的情况也是同样适用的,这是对常规backstepping控制方法的改进和扩展。导引与控制一体化三通道独立设计模型可以抽象成为一类典型的严反馈不确定非线性系统。利用上面提出的鲁棒自适应控制方法,进一步考虑寻的导弹舵偏角幅值限制的导引与控制一体化设计。结合导引与控制一体化系统本身的特点,通过改进输入饱和的理论设计方法,最终实现导弹在舵偏角受限、自身不确定性和外界干扰的情况下能够稳定飞行。将六自由度非线性仿真结果和没有考虑执行机构饱和的情况进行了对比,所提的方法使得系统性能得到了明显的改善,验证了所提方法的有效性。接着,基于导引与控制一体化三通道独立设计的模型,进一步研究导弹典型状态受约束和舵机受限的问题。在导引与控制一体化设计中引入指令滤波方法,不仅可以对状态信号和输入控制的幅值、速率和带宽进行限幅,又避免了传统的backstepping控制方法对虚拟控制量进行微分计算所带来的级数膨胀问题。进一步考虑了执行机构动态特性受限的一体化设计,辅助系统用以分析饱和的影响,自适应用以补偿时变系统的未知不确定性,基于二次型Lyapunov函数进行了稳定性分析,保证导弹的所有状态信号最终一致有界,最终使得视线角速率误差收敛到零点附近的任意小区域内。仿真实验验证了所提方案的有效性。然后在前面研究的基础上,考虑同时具有末角约束和输入饱和的导引与控制一体化设计方法。针对实际系统俯仰通道本身的特点,对考虑执行器饱和的鲁棒自适应控制器设计算法进行改进。之后将相似的控制算法分别应用于偏航和滚转通道,最终将三个通道控制设计算法组合在一起便构成了控制受限的一体化控制算法。进一步利用自适应指令滤波控制算法对导弹其他相关状态进行限制,导弹的六自由度非线性数值仿真表明了在满足约束条件的情况下,导弹可以稳定飞行并以期望的姿态角命中目标。验证了所提的导引与控制一体化设计方案的合理性和有效性。最后,针对导引与控制一体化全耦合设计中的问题开展研究。基于预测控制方法提出一种新颖的反步控制方法,通过调节权重系数矩阵,解决执行机构的初始控制幅值过大问题,并应用到导引与控制一体化全耦合设计中。将本文所提方法与传统的反步法设计进行了寻的导弹六自由度非线性仿真对比,仿真结果揭示了所提方法的优越性。进一步,将导引与控制一体化全耦合设计模型抽象为一类典型的多输入多输出不确定非线性系统,满足块下三角形式。当其输入存在饱和时,基于前面提出的结果,给出一种鲁棒自适应块backstepping控制方法。
【关键词】：导弹导引与控制一体化 自适应反步控制 指令滤波 控制受限 终端角约束
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ765
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 课题背景及研究意义15-17
• 1.2 导引与控制一体化国内外研究现状及分析17-21
• 1.3 导引与控制一体化设计面临的主要问题21-22
• 1.4 控制受限的控制方法22-24
• 1.5 本文的主要研究内容和安排24-27
• 第2章 导引与控制一体化设计模型及预备知识27-42
• 2.1 引言27
• 2.2 导弹导引与控制一体化设计模型27-38
• 2.2.1 常用坐标系27-28
• 2.2.2 导弹六自由度非线性模型28-31
• 2.2.3 弹目相对运动模型31-33
• 2.2.4 导引与控制一体化模型33-38
• 2.3 预备知识38-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章 考虑控制受限的鲁棒自适应控制律设计42-64
• 3.1 引言42-43
• 3.2 一类具有控制受限的不确定非线性系统的鲁棒自适应控制方法43-50
• 3.2.1 问题描述43-44
• 3.2.2 控制设计及稳定性分析44-50
• 3.3 控制受限的导引与控制一体化三通道独立设计50-60
• 3.3.1 问题描述50
• 3.3.2 俯仰通道控制器设计与稳定性分析50-58
• 3.3.3 偏航通道控制器设计与滚转通道控制器设计58-59
• 3.3.4 仿真分析59-60
• 3.4 本章小结60-64
• 第4章 带有状态约束和控制受限的导引与控制一体化设计64-87
• 4.1 引言64-65
• 4.2 基于非线性自适应滤波反步法的一体化设计65-76
• 4.2.1 问题描述65
• 4.2.2 一体化控制器设计65-71
• 4.2.3 仿真分析71-76
• 4.3 考虑舵机带宽和偏转角速率限制的导引与控制一体化设计76-86
• 4.3.1 问题描述76
• 4.3.2 控制器设计及稳定性分析76-82
• 4.3.3 仿真分析82-86
• 4.4 本章小结86-87
• 第5章 具有终端角约束的控制受限导引与控制一体化设计87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 考虑终端角约束的控制受限导引与控制一体化设计87-96
• 5.2.1 问题描述87-88
• 5.2.2 控制器设计和稳定性分析88-93
• 5.2.3 仿真分析93-96
• 5.3 导引与控制一体化的指令滤波控制设计96-100
• 5.3.1 问题描述96
• 5.3.2 控制器设计和稳定性分析96-99
• 5.3.3 仿真分析99-100
• 5.4 本章小结100-107
• 第6章 考虑控制受限的导引与控制一体化全耦合设计方法107-129
• 6.1 引言107-108
• 6.2 基于连续预测方法的反演控制器设计108-117
• 6.2.1 问题描述108
• 6.2.2 控制器设计108-112
• 6.2.3 仿真分析112-117
• 6.3 考虑输入受限的导引与控制一体化全耦合设计117-128
• 6.3.1 问题描述117
• 6.3.2 控制设计及稳定性分析117-124
• 6.3.3 仿真分析124-128
• 6.4 本章小结128-129
• 结论129-132
• 参考文献132-143
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果143-146
• 致谢146-147
• 个人简历147

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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2 梁冰;徐殿国;段广仁;;导弹俯仰通道带有落角约束的制导与控制一体化设计[J];科学技术与工程;2008年01期

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5 查旭,崔平远,常伯浚;攻击固定目标的飞行器制导控制一体化设计[J];宇航学报;2005年01期

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本文编号：787943