多约束条件下导弹制导控制一体化设计

为增大导弹战斗部毁伤效能,同时保证结构安全和飞行稳定性,基于固定时间稳定性理论和反演滑模控制,提出了一种考虑攻击角度约束、状态约束和控制受限的多约束制导控制一体化设计方法。在纵向平面内构建了带攻击角度约束的制导控制一体化设计模型,将目标机动、系统扰动、建模误差等看作未知有界干扰,采用固定时间收敛的滑模干扰观测器估计和补偿干扰。构建了严格固定时间收敛的非奇异终端滑模面,解决攻击角度约束问题。利用二阶指令滤波器约束系统状态和控制指令,构建一种辅助系统补偿滤波器跟踪误差。利用李雅普诺夫稳定性理论,严格证明了闭环系统的固定时间收敛特性。最后,通过对比仿真验证了所提制导控制一体化算法的有效性和优越性。     

基于ESO的拦截机动目标带攻击角度约束制导律

为满足攻击角度约束的要求,设计了一种考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性的制导律。建立了考虑驾驶仪二阶动态特性的带攻击角度约束项的制导系统模型,采用二阶滑模超螺旋算法对扩张状态观测器进行改进,提出了一种超螺旋扩张状态观测器,对未知目标加速度进行估计,选取一种带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模面,结合动态面控制,提出了一种新型制导律。该制导律能使系统状态全局有限时间收敛,补偿驾驶仪动态特性。对比仿真结果表明,所提观测器估计精度高,所提制导律能够实现视线角速率和攻击角度有限时间收敛,且具有更好的制导性能。     

带末端角度约束的多导弹协同制导律设计

为了实现饱和攻击与饱和防御,提出了一种针对机动目标的多导弹协同制导律。建立了视线坐标系下的弹目相对运动数学模型,设计了三阶扩张状态观测器,对目标机动加速度项和运动方程中的耦合项进行观测与跟踪。在导弹飞行前段,基于滑模变结构理论设计了攻击时间可控的多导弹时间协同制导律; 在导弹攻击末段,基于有限时间控制理论设计了满足终端角度约束的制导律,给出了导引律切换条件。仿真结果表明:该复合导引律能够使多枚导弹在满足攻击末端角度约束的条件下实现攻击时间协同; 该制导律采用完备的空空导弹轨迹控制系统进行仿真,能够满足实际工程应用的要求。     

基于有限时间小超调预设性能控制的三维滑模末制导律设计

为了实现对高速机动目标的特定攻击角拦截,本文结合控制领域的新型控制方法——有限时间小超调预设性能控制设计了新型三维滑模末制导律。为了确保视线角和视线角速率能够在有限时间内收敛至期望值,通过视线角偏差和视线角速率偏差构建了线性滑模面;在趋近律设计上,基于有限时间小超调预设性能控制分别设计了视线偏航平面和视线俯仰平面的制导指令,保证跟踪误差可以按预设的收敛时间收敛,并且超调量约束在较小范围内,同时引入非线性有限时间观测器对制导指令中包含的目标加速度项进行估计,进一步提高了制导精度。通过仿真可知,本文制导律可以实现不同拦截条件下对目标的特定攻击角拦截,与现有的快速终端滑模制导律相比,可以保证滑模变量在有限时间内小超调收敛,同时实现特定角度打击,拦截机动目标时脱靶量可以控制在1 m以下,提升了系统的稳态性能和瞬态性能。     

自适应非奇异快速终端二阶滑模制导律

针对打击机动目标带攻击角度约束的末制导问题,提出了一种带攻击角度约束的制导律。基于弹目相对运动模型,将攻击角度约束问题转化为终端视线角约束问题。设计了一种新型非奇异快速终端滑模面,结合改进的超螺旋算法,提出了一种自适应非奇异快速终端二阶滑模制导律。该制导律能够使弹目视线角及其角速率有限时间收敛,并设计了参数自适应律有效补偿未知扰动。通过仿真实验,验证了所提制导律能以期望攻击角度精确命中目标,且与现有制导律相比,收敛速度更快,制导精度更高,能量消耗更少。     

带落角约束的有限时间收敛末制导律研究

针对导弹末制导过程中的终端落角约束的问题,基于滑模控制和有限时间控制理论,设计了一种有限时间收敛末制导律。利用终端滑模控制中滑模面上的跟踪误差能够有限时间收敛到0的特点,选取终端滑模面,引入落角约束项,采用有限时间稳定性理论对导引律的有限时间收敛特性进行了证明,并给出了收敛时间的数学表达式。将该末制导律与其他2种带落角约束的导引律进行了对比仿真。结果表明,利用该制导律,制导武器能以更高的命中精度和更小的落角偏差命中目标。     

抗多径干扰的有限时间收敛制导律

当雷达导引头俯视探测超低空目标时,受多径干扰的影响,跟踪精度严重降低。为了最大限度地降低干扰,需要将弹目视线角约束至布儒斯特角。基于终端滑模控制的方法,设计了一种非奇异快速终端滑模制导律;针对该制导律中目标加速度难以准确获得的问题,设计了滑模扰动观测器来估计目标加速度;在非奇异快速终端滑模制导律中引入观测器的估计值和带开关系数的符号函数,设计出一种复合非奇异快速终端滑模制导律。通过Lyapunov理论证明,该复合制导律可保证弹目视线角在有限时间内快速收敛至布儒斯特角,同时视线角速率收敛至0附近的小邻域内。仿真结果表明：当该复合制导律应用于对超低空目标拦截时,可使脱靶量减少至杀伤半径之内;相比于传统滑模制导律,可使系统状态的收敛时间减少4 s左右。     

带视线角约束的多导弹有限时间协同制导律

针对多导弹在平面内从各自期望方向同时击中机动目标的问题,提出了一种带视线角约束且能打击机动目标的有限时间协同制导律。基于平面内的导弹-目标相对运动方程建立了考虑视线角约束的多导弹协同制导模型;在视线方向基于多智能体协同控制理论和积分滑模控制理论设计了多导弹分布式有限时间协同制导律,以保证所有导弹打击时刻有限时间趋于一致;在视线法向方向采用非线性干扰观测器对目标加速度在有限时间内进行估计,并基于有限时间滑模控制理论设计了带视线角约束的制导律,以保证导弹击中机动目标且其视线角有限时间内收敛到期望值。通过仿真验证了所设计的协同制导律可使多导弹从各自期望方向同时击中机动目标。     

考虑目标机动和落角约束的二阶滑模制导律

针对末制导阶段导弹以期望的终端落角攻击高机动目标的需求,将Super-twisting算法与自适应滑模扰动观测器相结合,提出一种满足终端落角约束的二阶滑模制导律。目标机动带来的干扰导致系统扰动的上界未知,将目标加速度视为系统扰动,设计自适应滑模扰动观测器对系统扰动进行在线估计,通过对观测器增益进行自适应调整,克服传统观测器选取增益时依赖扰动上界的缺陷。设计改进的Super-twisting算法作为制导律的趋近律,在降低抖振的同时使制导律可充分利用导弹的过载能力,从而提升系统的收敛速度,解决传统Super-twisting算法中系统状态远离平衡点时收敛速度慢的问题。基于李雅普诺夫稳定性理论,证明该制导系统能在有限时间内收敛。数学仿真结果表明：自适应滑模扰动观测器和所设计制导律有效,自适应滑模扰动观测器能够准确跟踪系统扰动,所设计的制导律能够满足期望的终端落角约束,且具有较高的命中精度,脱靶量小于0.2 m。     

高阶滑模制导律的设计与实现

针对机动目标拦截问题,应用高阶滑模控制方法,设计了高精度制导律。在制导律设计过程中,针对目标机动,基于增广比例导引设计了滑模变量,考虑二阶弹体动态特性,设计了二阶滑模制导律。应用高增益扩张状态观测器对制导信息进行估计,完成了制导律的实现。数值仿真结果验证了方法的有效性。     

基于扩张状态观测器的攻击角度约束制导律

为满足现代战场对拦截弹特定攻击角度约束的要求,设计了一种自适应滑模制导律。以弹目视线角与视线角速率为状态变量,在二维平面建立了制导模型;采用一种自适应滑模趋近律,设计了具有攻击角约束的制导律;采用扩张状态观测器,对目标机动进行估计补偿,并用于所设计的制导律。进行了仿真分析,结果表明,所设计的制导律能够引导拦截弹以期望的角度命中目标,对于目标的机动具有一定的鲁棒性,能有效实现对目标实行特定角度攻击并基本满足零脱靶量的要求。     

考虑自动驾驶仪延迟的三维光滑自适应滑模制导律

针对拦截机动目标情况下的三维末制导律设计问题,考虑导弹自动驾驶仪的一阶动态特性,应用非奇异快速终端滑模和自适应控制方法,设计了一种有限时间收敛的新型光滑制导律。在制导律设计过程中,将目标加速度视为未知的有界外界干扰,引入修正的自适应律来估计干扰的上界并消除了参数漂移问题。所设计的制导律不仅连续而且可微,即是光滑的,提高了制导性能。仿真结果表明,所提出的制导律具有很好的制导性能。     

考虑视场角约束下的攻击时间控制制导律

为了实现视场角约束下的攻击时间控制,基于导弹-目标相对运动模型,对考虑视场角约束下的攻击时间控制制导问题开展了研究。建立了以攻击时间误差和前置角收敛到0为准则的攻击时间控制模型。在比例导引法的基础上,采用附加偏置控制项的形式,在考虑视场角约束条件下设计了无奇点的攻击时间控制制导律。该制导律具有一定的最优性,攻击时间误差先于前置角收敛到0,制导加速度指令最终也收敛为0。采用Lyapunov稳定性理论,证明了该攻击时间控制制导律的稳定性。仿真结果表明,该制导律能够有效实现视场角约束下的攻击时间控制。     

带有视场角约束的滑模攻击时间控制制导律

为提高攻击时间控制制导律的鲁棒性和工程适应性,以弹目拦截几何关系为基础,采用滑模技术设计了一种带导引头视场角约束的无奇点攻击时间控制制导律。通过Lyapunov理论证明了该制导律的稳定性和收敛性。理论分析及仿真结果表明：当攻击时间误差变为0 s时,该制导律可演变成纯比例导引律,末端需用过载变化平缓、命中点处为0 g;所设计制导律可有效实现静止目标拦截、多导弹协同攻击等场合的攻击时间控制。     

考虑攻击角约束和输入饱和的制导控制一体化设计

针对攻击角度约束和执行机构因物理约束导致控制输入饱和的问题,提出了一种带攻击角度约束和输入饱和的制导控制一体化设计方法。建立了带攻击角度约束的制导控制一体化三通道独立设计模型,采用扩张状态观测器估计和补偿模型误差和通道间的耦合关系。在此基础上,采用终端滑模控制和反演控制,对制导控制系统进行一体化设计,并引入Nussbaum函数和一个辅助系统处理输入饱和问题。通过导弹六自由度仿真验证了所提制导控制一体化算法的有效性,制导精度和角度约束精度比现有制导控制一体化算法更高,且制导控制效果更好。     

有限时间收敛的非光滑制导律设计

针对机动目标拦截问题,设计基于扩张状态观测器的有限时间收敛制导律。首先利用非光滑反馈控制技术,结合有限时间Lyapunov稳定理论,设计了无抖振的滑模制导律。其次为了削弱目标机动对制导精度的影响,设计了一种非齐次干扰观测器,对系统中目标机动带来的总扰动进行有限时间估计,提高了对机动目标的拦截精度。最后,数字仿真验证了这种非光滑连续制导律的有效性。     

基于非光滑控制的三维制导律设计

针对机动目标寻的制导中带有终端角度约束的制导律设计问题,提出了基于非光滑控制的制导律设计方法。首先建立了飞行器与目标的三维相对运动模型,应用非光滑控制方法,设计非线性制导律,使齐次系统满足渐近稳定和齐次度为负的条件,达到终端角度要求。其次,应用高增益观测器对制导信息进行估计,通过对观测器状态进行扩张,完成目标机动加速度的估计。最后,对所设计的制导律进行了数值仿真,校验了设计方法的有效性。     

考虑自动驾驶仪动态特性和攻击角约束的鲁棒末制导律

针对制导弹箭打击机动目标时带攻击角约束的末制导问题,考虑自动驾驶仪动态特性以及目标机动不确定性对制导过程的影响,结合积分滑模与动态面控制方法,设计了一种新型鲁棒末制导律。自动驾驶仪的动态特性以含扰动的2阶动力学模型来表征,目标机动引起的模型不确定性以光滑非线性扰动观测器来估计。滑模面取视线角速率与视线角偏差的组合形式,且引入剩余飞行时间,以使制导弹箭在整个末制导过程中过载性能良好。依据李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统中视线角速率与视线角偏差均最终一致有界任意小。通过数值仿真与弹道成型制导律及非奇异滑模制导律进行了对比,验证了该末制导律的有效性与优越性。     

控制量受限情况下的有限时间收敛制导律

针对动能拦截器拦截临近空间高速机动目标的问题,基于零化视线角速率原理,应用有限时间收敛理论推导出了控制量受限情况下的Bang-Bang型滑模制导律有限时间收敛条件,既适用于二维平面情况又适用于三维空间问题。通过设计制导律中滞环控制开关门限的上下限,在视线角速率可控的条件下去除了其抖振。仿真结果表明,制导律有限时间收敛,具有较高的制导精度,并对目标机动具有鲁棒性。     

考虑视场角约束的三维时间控制制导律

本文针对常规制导弹药的饱和式攻击问题,提出了一种带有空间视场角约束的三维时间控制制导律,建立了三维空间中的制导拦截几何模型.基于三维比例导引律,考虑偏航和俯仰通道的耦合,采用滑模控制技术设计了满足空间视场角约束的附加时间误差反馈控制项,以保证制导弹药在满足空间视场角约束的前提下精确命中目标.通过李雅普诺夫稳定性原理,证...