大氣層內(nèi)攔截彈制導(dǎo)控制及一體化研究.pdf

1、在傳統(tǒng)的攔截彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，制導(dǎo)環(huán)節(jié)位于外環(huán)，反映了導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，變化較慢；控制環(huán)節(jié)位于內(nèi)環(huán)，反映了導(dǎo)彈自身的動(dòng)力學(xué)特性，變化較快。因此，制導(dǎo)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，常采用分離理論，即分別獨(dú)立設(shè)計(jì)制導(dǎo)律與自動(dòng)駕駛儀。但是在攔截戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈（TBM）時(shí)，導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對(duì)速度很快，尤其是在攔截高機(jī)動(dòng)TBM的末端，相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系變化很快，此時(shí)分離理論不再適用。因此為提高制導(dǎo)精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM的有效攔截，需要充分考慮制導(dǎo)與控

2、制之間的耦合關(guān)系，進(jìn)行制導(dǎo)控制一體化（IGC）設(shè)計(jì)。通過完全引入導(dǎo)彈的動(dòng)力學(xué)環(huán)節(jié)，IGC設(shè)計(jì)可以自動(dòng)補(bǔ)償制導(dǎo)與控制環(huán)節(jié)之間的耦合，推遲甚至消除攔截彈制導(dǎo)末端的固有不穩(wěn)定性，從而提高制導(dǎo)精度。此外，IGC設(shè)計(jì)還可以充分利用攔截彈的狀態(tài)信息，并能有效發(fā)揮攔截彈的機(jī)動(dòng)能力，避免飽和。因此為實(shí)現(xiàn)對(duì) TBM的有效攔截，IGC設(shè)計(jì)得到了廣泛的研究。
　　本文以具有氣動(dòng)力/直接力（RCS）復(fù)合控制系統(tǒng)的大氣層內(nèi)低層攔截彈為研究對(duì)象，以攔截機(jī)動(dòng)T

3、BM為目標(biāo)，首先進(jìn)行攔截彈制導(dǎo)、控制系統(tǒng)的分別獨(dú)立設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行制導(dǎo)控制一體化設(shè)計(jì)。具體研究?jī)?nèi)容及主要成果如下：
　　首先，在線性和非線性條件下，分別建立導(dǎo)彈攔截TBM的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的制導(dǎo)律與自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)方法進(jìn)行概括，分析它們各自的特點(diǎn)和聯(lián)系，為之后的研究奠定基礎(chǔ)。
　　然后，采用氣動(dòng)力/RCS復(fù)合控制攔截彈的簡(jiǎn)化方程，建立導(dǎo)彈攔截TBM的對(duì)策模型，選擇脫靶量最小為性能指標(biāo)，并通過零控脫靶量（ZE

4、M）的概念將多維的矢量問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)量問題，經(jīng)推導(dǎo)得出一考慮控制邊界的微分對(duì)策制導(dǎo)律。該制導(dǎo)律能夠充分發(fā)揮攔截彈的機(jī)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)指令在執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的最優(yōu)分配，因此可以顯著提高制導(dǎo)精度。此外，大氣層內(nèi)低層攔截彈RCS的燃料是有限的，RCS推力越大，其在導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過載中的貢獻(xiàn)就越大，但同時(shí)最大工作時(shí)間卻越短，因此利用對(duì)策空間分布研究了RCS推力大小對(duì)制導(dǎo)精度的影響，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)RCS的啟動(dòng)時(shí)機(jī)進(jìn)行了探討。
　　其次，控制分配（Co

5、ntrol Allocation）法可以將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇從控制指令的設(shè)計(jì)中分離出來。因此，在考慮噴流干擾引起的參數(shù)攝動(dòng)和模型不確定性的條件下，利用最優(yōu)滑模理論進(jìn)行虛擬力矩（Virtual Moment）設(shè)計(jì)，并依靠動(dòng)態(tài)控制分配法實(shí)現(xiàn)虛擬力矩在空氣舵和RCS之間的配置。虛擬力矩通過動(dòng)態(tài)控制分配器分配到空氣舵的指令類似低通濾波器，而RCS的則類似高通濾波器。因此，RCS主要用來提高系統(tǒng)的初始響應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，其值趨于零；而氣動(dòng)舵則主要

6、用來穩(wěn)定彈體和輸出系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)所需的控制力矩。對(duì)于具有開關(guān)型推力的RCS，可以通過脈沖調(diào)寬調(diào)頻調(diào)制器（PWPF）將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的脈沖序列。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上，開展基于ZEM和虛擬控制的IGC設(shè)計(jì)。首先，依靠ZEM實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)與控制環(huán)節(jié)的統(tǒng)一；然后，選擇ZEM作為滑模面，進(jìn)行滑?？刂破髟O(shè)計(jì)；最后，通過控制分配器將得到的虛擬力矩分配到實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該IGC設(shè)計(jì)制導(dǎo)導(dǎo)彈的方式為使攔截彈快速趨向于碰撞三角形，并保持在上面。相對(duì)于分離

7、設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)與控制環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)能力應(yīng)用更加合理，加速度變化更加平穩(wěn)，可以明顯提高制導(dǎo)精度。但是，它的缺點(diǎn)是難以改善彈體動(dòng)態(tài)特性，因此隨后提出了兩種改進(jìn)方法：一種是在滑模面中增加一個(gè)基于控制系統(tǒng)考慮的項(xiàng)；另一種是基于內(nèi)環(huán)穩(wěn)定的IGC設(shè)計(jì)。其中，后者首先采用線性二次型調(diào)節(jié)器對(duì)導(dǎo)彈的內(nèi)環(huán)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再將其引入IGC設(shè)計(jì)，這樣既可以保證內(nèi)環(huán)的彈體穩(wěn)定，又可以保證外環(huán)的制導(dǎo)性能。此外，根據(jù)IGC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)提出了一種新型

8、的控制分配邏輯，它根據(jù) ZEM的大小確定RCS的使用情況，因此，RCS主要用于初始階段使攔截彈快速趨于碰撞三角形，以及末端使攔截彈維持在碰撞三角形上。這樣既充分發(fā)揮了RCS的作用，又節(jié)省了燃料消耗。
　　最后，研究測(cè)量信息誤差對(duì)制導(dǎo)精度的影響。在二階滑模觀測(cè)器（SMOD）的基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)器設(shè)計(jì)，為攔截彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)提供必要的狀態(tài)信息。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行蒙特卡洛打靶。仿真結(jié)果表明，相對(duì)傳統(tǒng)的分離設(shè)計(jì)，IGC設(shè)計(jì)能夠顯著的提高制導(dǎo)