最优末段导引律与导引头跟踪控制研究

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近几年来,我国在周边权益不断地受到挑战,如何保卫国家安全和利益是非常紧要的课题。作为国家安全的重要防御力量之一,导弹拦截技术必须不断地适应当前远程攻击武器的发展。其中导引律毫无疑问是影响导弹拦截性能的决定性因素。在当前飞行器高速甚至是高超音速的现状下,现有的传统导引律面临拦截窗口极大减小、拦截弹速度不足等问题,已经无法有效地导引导弹进行拦截。同时,导引头也是影响拦截性能的重要因素之一。当前正在大力发展的滚仰式捷联导引头具有结构简单、离轴角大等优点,但是对于其控制问题少有研究。因为摩擦力突变、响应时间短、输入信号大幅变化等难点,导引头跟踪是个比较难以处理的问题;但其关系到视线角速率测量精度和跟踪目标响应速度等重要的参数,是一个非常值得关注的领域。本文在研究控制理论和导弹末段制导规律的基础上,对于新型导弹末端导引律和滚仰式捷联导引头跟踪控制问题进行了一些有益的尝试,并获得如下研究成果:(1)提出了一种能够获得最小能量消耗的最优自适应滑模前向导引律。前向导引律是一种新型的拦截策略,在现有条件下拦截高速目标时具有传统制导律不能比拟的优势,但是并没有获得最优的能量消耗,而能量的消耗是当前导弹小型化、作战范围扩大化的一个重要研究方向。本文对于在保证制导精度下最优的能量消耗进行了研究,并对目标机动加速度影响的抑制进行了探讨。在对前向导引下拦截弹和目标的相对运动进行建模、线性化后,对于目标无机动的理想情况下,选取合适的目标函数以使得拦截弹在保持拦截精度的情况下获得最优的能量消耗,并使用最优控制方法线性二次调节器(Linear QuadraticRegulation, LQR)结构对于制导律进行推导;然后采用变结构控制理论来对于目标机动加速度引起的系统状态变化进行抑制,增强系统的鲁棒性。在处理变结构系统容易抖振的问题上,采用了饱和函数。仿真表明,与其他基于前向导引的方法相比,该导引律能够获得满意的制导精度和最优的能量消耗,并对于目标机动具有较强的鲁棒性。(2)本文提出了一种有角度攻击的自适应前向导引律。前向导引要求在末段时拦截弹与目标飞行在一个轨迹上。为使得拦截弹能够实现有角度攻击以增加拦截杀伤力,对于前向导引律的拦截几何条件进行了修正。在考虑了拦截弹自动驾驶仪特性的基础上,建立了前向导引的拦截弹-目标相对运动模型,并通过变结构控制推导了自适应前向导引律。通过李亚普洛夫稳定性原理证明系统的稳定性。仿真证明,该导引律具有拦截弹速度相对较小、拦截精度高等优势。(3)本文给出了滚仰式捷联导引头的最优控制律。在对该导引头模型进行分析的基础上,针对其摩擦力突变设计了两控制器切换的结构。因为H2最优控制理论能够获得性能的最优性能,并且对于系统的模型漂移具有较好的鲁棒性能,因此根据H2最优控制理论推导了滚仰式捷联导引头的最优控制律,使得系统能够对于大的控制指令变化导致的摩擦力突变进行控制器切换而获得有效的控制,具有良好的鲁棒性,并且其单位阶跃响应的各项指标也大大超过实际需求。
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