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基于ADRC的直接侧向力/气动力复合控制系统设计

王宇航  
【摘要】:随着空袭兵器向小型化、高速化的方向发展,对拦截导弹的制导控制精度提出了更高的要求。由于空气舵响应的时间延迟,传统的空气动力控制方式已不能满足要求。可在空气动力控制基础上加入直接侧向力控制,来实现导弹在高空、高速以及目标大机动情况下的精确拦截。针对直接侧向力/气动力复合控制系统的工作特点,研究适合其应用的制导控制方法,具有重要的理论意义和实际工程价值。为此,本文基于自抗扰控制方法研究了轨控复合控制系统的制导控制问题。 首先,考虑导弹受到侧向喷流干扰和推力偏心的作用,建立了复合控制系统的数学模型。确定了弹体的气动布局和脉冲发动机配置,基于推力放大因子的估算方法给出侧向喷流干扰力的计算模型。在此基础上,建立了直接侧向力模型和直接侧向力引起的推力偏心模型,从而推导得到了复合控制系统的运动学和动力学模型,为后续研究奠定了基础。 其次,深入研究了ADRC设计方法。应用多Lyapunov函数方法证明了二阶扩张状态观测器的稳定性,并根据稳定性条件进行误差分析,从而给出了不同参数下扩张状态观测器误差收敛的评价准则以及误差收敛值。提出了一种基于fal函数反馈结构滤波的ESO设计方法,有效解决了量测噪声对ESO观测精度影响较大的问题。为了增强ADRC的适应性,提出了一种基于模糊的ADRC设计方法,完成了大扰动系统的模糊ADRC设计,并分析了闭环系统的稳定性。 然后,研究了基于ADRC复合控制系统姿态控制设计方法。针对垂直发射段非线性及耦合较大问题,提出了一种基于模糊ADRC和NLSEF的组合控制策略,并应用该策略设计了姿态角跟踪回路,解决了边滚边转的快速转弯控制问题。针对末制导复合控制段的大扰动问题,提出了一种基于模糊ADRC和PI的组合控制策略,并应用该策略设计了过载跟踪回路,实现了过载指令的快速、准确跟踪,且具有很强的抗干扰能力。在此基础上,分析了所设计姿态角回路和过载回路的稳定性。 再次,研究了基于ADRC复合控制系统导引规律设计方法。提出了一种基于ADRC和预测脱靶量的末端导引策略,解决了直接侧向力只能点火一次的问题。提出了ADRC导引律设计方法,包括基于扩张状态观测器估计目标加速度的方法以及带目标加速度补偿的ADRC导引律设计方法。根据目标加速度估计结果预测了非零效脱靶量,给出预测脱靶量修正方法,从而得到直接侧向力的点火指令,仿真验证了所提方法的有效性。 最后,将上述研究成果应用于某型复合控制导弹,完成了基于ADRC的制导控制系统设计。根据给定的系统参数和指标要求,确定干扰力矩幅值,进行ADRC的参数整定,完成了姿态控制律设计。考虑导引头量测信息的不确定性,完成了导引规律设计,并分析了所设计制导控制系统的稳定性。在此基础上,通过六自由度仿真,验证了所提姿态控制方法和导引方法的有效性,分析了量测噪声、干扰力矩以及气动参数摄动对制导精度的影响。


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