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导弹是现代战争中最有力的防御和攻击敌方的精确制导武器,在现代高技术战争中有着不可替代的作用,其制导控制系统是导弹系统的中枢神经,制导律是实现导弹拦截目标的关键技术。随着现代控制理论的发展,先进制导律设计方法得到了广泛的研究。 制导律的设计目标是为自动驾驶仪提供加速度指令以使得导弹获得最小的脱靶量,从而实现导弹对目标的有效拦截。传统的比例制导律由于其形式简单、工程易于实现的特点,使得其得到了广泛的研究。当导弹拦截固定目标或者弱机动目标是,比例制导律及其改进形式可以保证足够的制导精度,然而,当导弹拦截大机动目标是,比例制导律会导致很大的脱靶量,使得导弹无法命中目标。因此,研究目标大机动情况下的导弹制导律设计方法是很有必要的。 本文分别以二维平面和三维空间导弹拦截机动飞行的目标为研究背景,研究基于有限时间反馈控制方法和扰动观测器前馈技术的导弹复合制导律设计方法。主要研究结果和贡献如下: 一、针对二维平面导弹拦截机动目标问题,研究了一类基于有限时间反馈控制方法的导弹制导律设计方法。在设计导引律过程中,将目标机动看作制导系统的有界外部扰动,引入切换函数来抑制目标机动,通过有限时间稳定判定定理给出严格的理论分析证明了视线角速度能够有限时间内收敛到零。仿真结果验证了有限时间制导律的有效性。考虑终端撞击角度受约束情况,针对二维平面导弹拦截机动目标问题,研究了两类基于积分滑模控制方法的导弹制导律设计方法。一类是基于线性积分滑模的制导律设计方法,此制导律可以保证视线角速度能够渐近收敛到零点,视线角度渐近收敛到期望的视线角度;另一类是基于非线性积分滑模的制导律设计方法,此制导律可以保证视线角速度能够有限时间收敛到零点,视线角度有限时间内收敛到期望的视线角度。同样,在设计导引律过程中,将目标机动看作制导系统的有界外部扰动,引入切换函数来抑制目标机动,但切换函数的存在,使得两类积分滑模制导律都是非连续的,从而导致制导系统产生抖振现象。通过引入一类有限时间扰动观测器来观测目标机动,并将观测值方式引入到两类积分滑模制导律中作为前馈补偿项,来抑制由切换函数产生的抖振现象,同时又可以保证积分滑模制导律的性能。最终得到了两类复合制导律律,一类为基于线性积分滑模制导律和有限时间扰动观测器的复合线性积分滑模制导律;另一类为为基于非线性积分滑模制导律和有限时间扰动观测器的复合非线性积分滑模制导律。两种复合制导律具有良好的抗目标机动能力,并且能有效地削弱抖振现象。最后仿真结果验证了所设计的四类积分滑模制导律的有效性。 二、考虑导弹驾驶仪动态特性存在外部扰动和终端撞击角度受约束情况,针对二维平面导弹拦截机动飞行的目标问题,研究了一类基于有限时间非线性积分滑模反馈控制方法和非线性扰动观测器前馈补偿技术的导弹复合制导律设计方法。将目标加速度与驾驶仪动态特性的外部扰动看作制导系统的集总扰动,首先,基于非线性积分滑模反馈控制方法设计了一类非线性积分滑模制导律,此制导律保证视线角速度能够有限时间内收敛到零点,视线角度有限时间内收敛到期望的视线角度。其次,设计了一类非线性扰动观测器来观测制导系统的集总扰动,并将观测值引入到有限时间制导律中作为扰动补偿项,来抑制由滑模产生的抖振现象。最终设计了基于非线性积分滑模制导律和非线性扰动观测器的复合非线性积分滑模制导律。复合制导律具有良好的抗目标机动能力,并且能有效地削弱抖振现象。仿真结果验证了所设计的两类积分滑模制导律的有效性。 三、针对三维空间导弹拦截机动目标问题,研究了两类制导律设计方法。一类是基于Lyapunov稳定性方法和非线性扰动观测技术,研究了一种具有渐近收敛特性的复合制导律设计方法,此制导律可以保证视线倾角和视线偏角能够渐近收敛到零点;另一类是基于有限时间稳定性方法和非线性扰动观测技术,研究了一种具有有限时间收敛特性的复合制导律设计方法,此制导律可以保证视线倾角和视线偏角在有限时间内收敛到零点。三维空间制导律设计的难点是如何处理通道间的耦合特性,本文通过选择合适的Lyapunov函数和有限时间Lyapunov函数来处理视线倾角和视线偏角通道之间的耦合项,实现通道间的解耦控制。首先,在目标加速度已知的假设条件下,设计了一类推广的比例制导律。将目标加速度作为比例制导律的增加项,使得导弹能够很好地跟踪机动飞行的目标,然而,在实际情况中,目标加速度信息不可精确获得,因此设计了一种非线性扰动观测器来观测目标加速度信息,并以前馈补偿的方式,用目标加速度的观测值替代推广比例制导律中真实的目标加速度。最终设计了一类基于推广比例制导律和非线性扰动观测器的复合三维空间渐近制导律。仿真结果验证了制导律的有效性。其次,为了提高系统状态的响应速度和抗目标机动能力,研究了有限时间制导律设计方法。将目标加速度视为三维制导系统的有界外部扰动,设计了一种有限时间制导律。之后,将非线性扰动观测器对目标加速度的观测值以前馈补偿的方式引入到有限时间制导律中,最终设计了基于有限时间制导律和非线性扰动观测器的复合三维空间有限时间制导律。复合有限时间制导律具有良好的抗目标机动能力,并且能有效地削弱抖振现象。仿真结果验证了制导律的有效性。