基于有限时间控制理论的导弹末制导律研究

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迅猛发展的现代航天航空技术对导弹制导精度提出了越来越高的要求。典型的导弹制导过程包括制导初段、中段和末段三个阶段。到了制导末段,也即制导的最后阶段,目标往往进行大机动逃逸,且留给精确末制导的时间通常非常短,这一阶段制导性能的好坏最终决定了导弹能否精确打击目标,实现攻击目的。因此,末制导段需要具有强抗目标机动能力并可在有限时间内快速收敛的高精度制导律。在系统具有干扰和不确定的情况下,非光滑的有限时间稳定反馈控制不仅使受控系统在有限时间内收敛并稳定到系统的平衡点,并且比渐近稳定系统具有更强的鲁棒性和更高的跟踪精度。因此,本文以寻的导弹末制导段拦截机动目标为背景,利用有限时间控制理论,在对其作出一定研究的基础上,对有限时间收敛末制导律的设计方法进行了研究,主要内容包括:(1)针对同时考虑导弹自动驾驶仪动态特性和终端攻击角约束的平面末制导系统的机动目标拦截与有限时间收敛问题,基于有限时间滑模控制理论,设计了有限时间收敛滑模末制导律。首先针对末制导段目标机动信息无法准确获取的问题,采用一个高精度非线性有限时间扰动观测器对目标机动加速度进行准确估计;然后将导弹自动驾驶仪动态特性视为一阶惯性环节,考虑平面末制导系统,提出一种能够保证视线角速率在有限时间内收敛到零的制导律;在此基础上,进一步将终端攻击角约束考虑在内,设计了能够同时保证视线角速率在有限时间内收敛,并以期望的攻击角拦截机动目标的制导律。所提出的末制导律表达式中没有出现目标加速度这一扰动项,亦不受目标加速度上界的影响。该制导律能够有效补偿导弹自动驾驶动态特性,且具有较强的抗扰动能力和较高的制导精度。(2)针对同时考虑导弹自动驾驶仪动态特性和制导参数误差的平面末制导系统的机动目标拦截与有限时间收敛问题,基于连续有限时间控制方法,设计了连续有限时间收敛鲁棒末制导律。首先考虑两类一般的单输入线性系统,研究了连续有限时间收敛控制律设计方案,得到两个相关结论;然后考虑带制导参数误差的平面末制导系统,利用第一个结论直接进行了制导律设计;在此基础上,将导弹自动驾驶仪一阶动态特性进一步考虑在内,利用第二个结论直接设计了制导律。所提出的末制导律避免了滑模制导律的抖动,可使系统状态在有限时间内收敛到零点附近的小邻域内。该制导律能够有效补偿导弹自动驾驶仪动态特性,对制导参数误差和目标机动具有较强的鲁棒性,且脱靶量小,制导精度高。另外,给出了制导系统状态的收敛范围,理论分析表明,在已知或准确估计目标机动加速度上界的情况下,通过合理选择相关的制导系数可使该收敛域任意小(3)针对考虑导弹自动驾驶仪动态特性的三维非线性耦合末制导系统的机动目标拦截与有限时间收敛问题,基于有限时间输入到状态稳定理论,设计了有限时间输入到状态稳定鲁棒三维末制导律。首先考虑两类一般的多输入非线性系统,研究了有限时间输入到状态稳定控制律设计方案,得到两个相关结论;然后考虑三维末制导系统,将目标机动加速度视为有界扰动输入,利用第一个结论直接进行了制导律设计;在此基础上,将导弹自动驾驶仪一阶动态特性进一步考虑在内,利用第二个结论直接设计了制导律。所提出的末制导律可保证视线角速率在有限时间内收敛到零点附近的小邻域内,且通过调节相应的制导系数可使该收敛域任意小。该制导律能够有效补偿导弹自动驾驶仪动态特性,对目标机动具有很强的扰动抑制能力,且脱靶量小,制导精度高。(4)针对同时考虑导弹自动驾驶仪动态特性和导弹加速度约束的三维非线性耦合末制导系统的机动目标拦截与有限时间收敛问题,基于有限时间有界理论,设计了有限时间有界抗加速度饱和三维末制导律。首先考虑一类具有准单边Lipschtiz准则的非线性系统,研究了有限时间有界控制器设计方案,得到一个相关结论,并给出基于微分线性矩阵不等式的控制器增益求解方法;然后考虑带导弹自动驾驶仪一阶动态特性的三维末制导系统,利用得到的结论直接进行制导律设计。所提出的制导律能够保证视线角速率在有限时间内收敛,且加速度亦不超过给定的物理限制。该制导律能够有效补偿导弹自动驾驶仪动态特性,具有较强的抗扰动能力和较高的制导精度。
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