导弹控制系统设计的参数化方法

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新型导弹以宽广的飞行包络、极高的飞行速度、超强的机动性为特征,其动力学特性表现为强耦合及强时变性。相对于传统型号,其控制系统的设计难度大大增加。继续沿用传统的控制方法在很多情况下无法获得满意的控制效果。针对新型导弹强时变、强耦合等典型特征,本文通过对导弹动力学特性的分析,分别建立了导弹俯仰/偏航通道和滚动通道的数学模型,从而将导弹控制系统的设计问题归结为对于两个线性时变系统的镇定跟踪控制器的设计问题,基于参数化方法给出了可行的设计方案。主要包含以下几方面的内容:  首先,通过对系统状态可达集的估计给出了线性时变系统的稳定性判据,并基于参数化方法给出了线性时变系统镇定问题的解决办法。利用连续椭球估计构建了系统状态可达集的包络,并基于此给出了线性时变系统稳定性的一个充分性判定算法。与现有的方法相比,该稳定性判别方法保守性较小且实现简单。提出了线性时变系统渐进稳定的充分判据,并基于这一结果进一步讨论了线性时变系统在特定时间点上的稳定裕度。特别地,文中对线性切换系统及带有不确定性的线性时变系统的稳定性也进行分析并给出了相应的判别条件。并且,进一步将上述稳定性结果与线性定常系统的参数化特征结构配置理论结合起来,将线性时变系统的稳定性条件转化为对于控制系统设计自由度的约束,提出了多模型增益调度控制器设计的一种参数化方法,给出了线性时变系统镇定问题求解的一个简单有效的方案。  其次,基于前述稳定性结果,采用参数化方法设计了导弹控制系统的多模型镇定控制器。对于导弹的俯仰/偏航通道,详细地讨论了多模型控制器的参数化设计方法,为适应不同的设计要求,给出了构造全局控制器三种方案,分别为鲁棒镇定方法、平滑切换方法和增益调度方法。这三种方法皆能从理论上严格保证导弹控制系统的稳定性。为了避免多控制器切换所造成的系统抖振,讨论了抖动抑制问题并基于特征结构配置理论提出了一种新型的增益调度插值方法。这种方法保证了系统在特征点之间的动态性能,同时在保证系统的稳定性方面相对传统方法而言亦有很大提高。对于导弹滚动通道,着重讨论了系统的干扰抑制问题,给出了干扰抑制控制器设计的一种参数化方法。  最后,基于模型参考跟踪理论研究了导弹控制系统对于导引信号的跟踪问题。建立了导弹导引系统的数学模型,将闭环导引系统作为一个线性时变的参考模型,从而问题转化为一个标准的模型参考跟踪问题。借鉴线性定常系统的模型参考跟踪理论,给出了导弹控制系统前馈跟踪控制器的参数化设计方法。该设计方法直接将视线角信息引入姿态控制信号,从而将导弹的控制系统和导引系统联系起来,实现了导弹制导与控制系统的一体化设计,大大提高了跟踪性能。
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