机动目标防御的导弹精确制导与控制及一体化设计研究

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导弹制导与控制系统的大力发展是导弹实现快速精确打击的重要前提,随着导弹所拦截目标机动能力的提高,有必要提高导弹自身的综合性能,完整地考虑制导与控制系统之间的联系,实现导弹制导与控制一体化设计(Integrated Guidance and Control,IGC)。本文以大气层内某型寻的导弹拦截打击机动目标末制导段为研究背景,在现有滑模控制理论的研究基础上,结合动态面控制、自抗扰控制的设计思想,在提出新型滑模控制方法的同时,针对导弹制导与控制系统传统设计方法、近似一体化设计方法和一体化设计方法展开研究。主要内容包括:首先,基于导弹六自由度非线性运动方程、导弹-目标相对运动模型和导弹控制系统设计模型,以三通道独立设计为起点,通过纵向(侧向)需用过载和攻角(侧滑角)之间的关系建立了IGC三通道独立设计模型,并将通道间的耦合项视为有界未知扰动实现人为解耦;进一步,从非线性系统设计角度出发,建立了IGC三通道耦合设计模型,实现了制导与控制系统的完全一体化建模。然后,展开了导弹制导与控制系统传统设计方法的研究。在有限时间收敛理论的基础上,针对导弹拦截机动目标的问题,通过扩张状态观测器对目标加速度进行实时的观测和动态补偿,设计了一种基于扩张状态观测器的全新滑模制导律。同时,结合动态面控制方法和滑模控制方法,在不基于时间分离原则的基础上提出了一种新型的导弹自动驾驶仪设计方法。最后,将所设计的导弹控制系统嵌入到滑模制导系统中,完成了导弹制导与控制系统传统设计,实现了三维空间内导弹对机动目标的有效打击。其次,结合积分滑模和全局滑模控制方法的优点,设计了一种新型的非线性全局积分滑模控制方法,解决了传统积分滑模控制中系统暂态性能恶化的问题,降低了系统的稳态误差。继而,针对拦截机动目标的末制导段,采用动态面控制方法设计了考虑攻击角约束和自动驾驶仪动态特性的导弹全局非线性积分滑模制导律,完成了IGC近似设计。并与传统的积分滑模制导律和偏置比例导引律进行仿真对比,仿真结果验证了本文所提IGC近似设计的有效性和优越性。最后,针对导弹制导与控制一体化设计问题,分别从IGC三通道独立设计和IGC三通道主动解耦设计两个方面展开了研究。对于IGC三通道独立设计问题,在考虑系统非匹配不确定性的前提下,分别对俯仰、偏航和滚转三个通道的IGC子系统设计了一种自适应动态面控制算法,从而完成了IGC三通道独立设计。进一步,在显式考虑气动参数摄动影响的基础上,设计了一种改进型的自适应动态面控制算法;对于IGC三通道耦合设计问题,该问题可归纳为含匹配/非匹配不确定性的非自知非线性控制系统的状态调节问题,基于扩张状态观测器和滑模/动态面控制思想,通过扩张状态观测器对各通道间的动态耦合项和不确定性进行实时观测和动态补偿,实现通道间的主动解耦,从而设计了基于扩张状态观测器的IGC三通道主动解耦设计方法。将IGC三通道主动解耦设计方法与IGC三通道独立设计方法和制导与控制系统传统设计方法进行对比仿真,验证了IGC三通道主动解耦设计方法的有效性和优越性。
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