臨近空間攔截彈制導(dǎo)控制及一體化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、臨近空間高超聲速飛行器的快速發(fā)展，對反導(dǎo)攔截系統(tǒng)提出了更高的要求，采用氣動力/直接力復(fù)合控制的臨近空間攔截彈是可行的防御方案。該方法可以克服臨近空間空氣稀薄的缺陷，使攔截彈能夠快速跟蹤制導(dǎo)回路的過載指令，實(shí)現(xiàn)直接碰撞目標(biāo)。在這一背景下，本文研究了臨近空間攔截彈的制導(dǎo)與控制問題，主要研究工作如下：
　　(1)研究了基于干擾觀測器(DO)的臨近空間攔截彈復(fù)合控制器設(shè)計(jì)問題。首先設(shè)計(jì)DO估計(jì)系統(tǒng)干擾，并基于干擾估計(jì)值設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償項(xiàng)有效消

2、除系統(tǒng)干擾的影響；接著設(shè)計(jì)復(fù)合抗干擾跟蹤控制器獲取期望控制力矩，主要包括基于DO的魯棒H∞復(fù)合控制器、基于非線性干擾觀測器(NDO)的動態(tài)逆復(fù)合控制器和基于有限時間干擾觀測器(FTDO)的非奇異終端滑模(NTSM)復(fù)合控制器；然后利用動態(tài)控制分配技術(shù)將期望控制力矩分配到實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)抗干擾控制器的有效性。
　　(2)研究了臨近空間攔截彈的多模型切換跟蹤控制器設(shè)計(jì)問題。首先基于雅克比線性化和張量積(T-P)模型轉(zhuǎn)

3、換方法構(gòu)建攔截彈的快慢回路多胞型線性變參(LPV)模型，接著設(shè)計(jì)攔截彈的魯棒切換跟蹤控制器。為避免控制器直接硬切換可能導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于DO的攔截彈多模型軟切換跟蹤控制器，然后基于魯棒最小二乘加權(quán)控制分配(RLSWCA)算法將期望控制力矩分配到實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)多模型切換跟蹤控制器的有效性。
　　(3)研究了臨近空間攔截彈的非線性魯棒導(dǎo)引律設(shè)計(jì)問題。首先將目標(biāo)機(jī)動視為有界干擾，設(shè)計(jì)了基于伽遼金同步策

4、略更新算法(GSPUA)的攔截彈非線性H∞導(dǎo)引律；考慮到非線性H∞導(dǎo)引律只能將目標(biāo)機(jī)動對制導(dǎo)系統(tǒng)的影響衰減到預(yù)先給定的水平，而不能完全消除其影響，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于FTDO和自適應(yīng)超螺旋(AST)算法的新型導(dǎo)引律，在有限時間內(nèi)消除目標(biāo)機(jī)動的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)魯棒導(dǎo)引律的有效性。
　　(4)研究了臨近空間攔截彈的導(dǎo)引/控制一體化設(shè)計(jì)問題。首先將考慮自動駕駛儀動態(tài)特性的制導(dǎo)系統(tǒng)分為縱向平面和側(cè)向平面的外回路、中回路和內(nèi)回路，將目

5、標(biāo)機(jī)動和駕駛儀回路的參數(shù)攝動分別看作外回路和內(nèi)回路的干擾；接著研究基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)和反演滑模的攔截彈導(dǎo)引/控制一體化設(shè)計(jì)。然后將攻擊角約束制導(dǎo)問題轉(zhuǎn)化為終端視線角約束問題，進(jìn)一步研究基于ESO和分塊反演滑模的攔截彈導(dǎo)引/控制一體化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)導(dǎo)引律的有效性。
　　(5)研究了臨近空間攔截彈的制導(dǎo)/控制一體化(IGC)設(shè)計(jì)問題。首先基于彈目相對運(yùn)動模型和攔截彈的非線性動力學(xué)模型，并將通道間的耦合和外部干擾看

6、作該通道的總干擾，建立三通道獨(dú)立的攔截彈IGC模型；接著設(shè)計(jì)FTDO估計(jì)目標(biāo)加速度和駕駛儀回路的干擾，基于干擾估計(jì)值設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償項(xiàng)，在有限時間內(nèi)消除干擾的影響；然后設(shè)計(jì)基于FTDO和反演滑模的攔截彈IGC算法。為了主動利用通道間的耦合，降低FTDO的估計(jì)負(fù)擔(dān)，建立全狀態(tài)耦合的攔截彈IGC模型，進(jìn)一步研究基于FTDO和分塊反演滑模的攔截彈IGC設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明全狀態(tài)耦合的IGC算法能夠獲得更小的脫靶量，且所需要的控制輸入更小。
　

7、　(6)研究了攔截高超聲速飛行器的多攔截彈協(xié)同制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)問題。首先建立基于前向追蹤的多攔截彈協(xié)同制導(dǎo)模型；接著基于虛擬領(lǐng)彈和多攔截彈構(gòu)成的“虛擬領(lǐng)彈-從彈”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于分布式網(wǎng)絡(luò)同步原理的多攔截彈位置同步算法，獲取慣性坐標(biāo)系中攔截彈的速度指令，并基于坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)化為自動駕駛儀可以跟蹤的速度和彈道傾角指令；然后設(shè)計(jì)了基于FTDO的反演滑?？刂坡筛櫵俣群蛷椀纼A角指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多攔截彈的協(xié)同制導(dǎo)控制設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)協(xié)同制