制导炮弹技术是兵器科学领域的重要发展分支。在自旋制导炮弹飞行过程中,弹体围绕纵轴旋转在俯仰和偏航通道之间引起一定的空气动力学耦合特性。此外,其气动参数也呈现不确定性、大范围变化的现象且由于执行机构的输出受限制,系统易进入非线性饱和状态。这无疑增加了控制系统设计难度。本文基于此,研究受限控制问题,建立线性与非线性动力学模型,采用PID算法、抗饱和PID算法、滑模算法、反演算法、抗饱和补偿算法、受限辅助算法设计控制器,实现角速度与过载的稳定控制,主要包括:1.以牛顿力学为理论基础,对自旋制导炮弹所受的力和力矩进行分析,建立6自由度弹道模型,采用“小扰动”、线性化假设,并结合“系数冻结法”,建立了线性动力学模型,再利用拉氏变换推导出弹体传递函数。基于传递函数的模型,设计设计满足性能指标的三回路自动驾驶仪、抗饱和三回路自动驾驶仪。三回路自动驾驶仪的设计采用根轨迹法设计阻尼环、增稳环,利用频域分析与时域分析相结合进行验证,并采用PID算法设计过载环;在三回路自动驾驶仪的设计的基础上,采用抗饱和(Anti-windup)补偿器设计补偿反馈,完成抗饱和三回路自动驾驶仪的设计。通过对比仿真,结果表明:抗饱和补偿器能够抑制饱和、减小超调。2.为了研究自旋制导炮弹的非线性控制特性,采用了简化的假设,推导简化的俯仰和偏航通道的耦合动力学模型。为了解决俯仰与偏航通道的耦合非线性问题,采用滑模算法设计双通道自动驾驶仪。双通道滑模控制器的设计,首先结合积分滑模面、微分滑模面以及终端滑模面设计出一种自适应终端滑模面,使得系统快速到达并维持在滑模面上,并采用双曲正切切换函数代替符号切换,以消除系统存在的抖振。其次解决控制饱和引起的非线性问题,为了实现这一目的,本文基于补偿的思想设计出抗饱和补偿控制器,其受限前后的仿真对比结果表明:控制算法可以使得系统输出的跟踪误差为零。3.针对输入受限引起的非线性问题,将自旋制导炮弹简化的耦合动力学模型进行标准化处理,转化为“标准块控”模型,提出采用反步法设计过载和角速度的控制结构,设计了一种受限反演滑模控制律。通过引入带有零阶滑模面和双曲正切切换函数的滑模控制算法,减小了系统抖振,再引入执行机构饱和造成的误差变量,设计受限辅助系统(Auxiliary System)。加入受限辅助系统前后,对比仿真结果表明:受限辅助系统便于提高快速性、减小稳态误差、抑制饱和,能够实现过载的稳定控制。