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制导炸弹多模型及预测控制技术研究

张靖男  
【摘要】: 在近几场高技术局部战争中频繁亮相的制导炸弹,由于它是低成本、高精度的制导武器,具有较高的军事应用价值而引起了人们的极大关注。制导炸弹在不同高度的变速飞行过程中呈现出较强的非线性特性,其控制系统的设计也得到了较深入研究。对于在实际应用中出现的非线性、强耦合、动力学特性复杂的被控对象,常规的控制器很难达到满意的控制效果,多模型控制方法及预测控制方法就是在这一背景下发展起来的,它们为控制理论应用于实际问题提供了一种很好的解决途径,而且它们本身已成为控制理论研究的重要方向之一,丰富了控制理论的研究内容。 本论文以某型炸弹的制导化改造项目为背景,研究了制导炸弹的多模型及预测控制技术,研究内容包括制导炸弹的空间运动数学模型、制导炸弹多模型控制方法中模型集的获取、一种制导炸弹多模型控制方法以及一种制导炸弹多模型预测控制方法。主要的研究成果有以下几点: (1)研究了制导炸弹的空间运动数学模型。根据制导炸弹的气动特性和运动特点,建立了制导炸弹空间运动的六自由度微分方程数学模型,在此基础上推导得到了描述制导炸弹的状态方程数学模型。 (2)研究了制导炸弹多模型控制方法中模型集的获取问题。以一般的时变参数系统为研究对象,对非线性系统特征点的确定以及非线性系统在特征点处的线性化这两个问题进行了研究,获得了一种非线性系统模型集的获取方法,这种方法对制导炸弹同样有效。 (3)研究了一种基于特征结构配置方法和模型跟踪方法的制导炸弹多模型控制方法。基于线性系统特征结构配置方法以及模型跟踪方法,提出了可以有效抑制抖动的多模型切换控制策略,并用该策略设计了制导炸弹俯仰/偏航通道的自动驾驶仪。根据制导炸弹的飞行弹道特征,在制导炸弹的整个飞行弹道上选取了若干特征点,在这些特征点条件下分别建立起描述制导炸弹俯仰/偏航运动的线性时不变数学模型。对各个特征点上的线性时不变数学模型,分别采用特征结构配置方法设计反馈控制器;同时,为了使制导炸弹的输出过载能跟踪制导指令,基于模型跟踪方法设计了前馈控制器。多模型切换控制策略的思路是:当制导炸弹飞行过程中跨越不同特征点区域时,控制器要进行切换,以选择相应的反馈和前馈控制器。仿真结果表明,所提出的方法能够使制导炸弹的输出过载准确的跟踪制导指令,并且有效的抑制了切换点处的抖动;与制导炸弹增益调度方法相比较,该方法具有较为明显的优点。 (4)研究了一种基于模型切换的制导炸弹多模型预测控制方法。首先对非线性系统多模型预测控制方法中的广义预测控制器设计、多模型参考轨迹以及模型切换算法等几个问题进行了研究,然后研究了多模型预测控制方法在制导炸弹中的应用,给出了仿真的结果并对仿真结果进行了分析。仿真结果表明,在采用论文中研究的多模型预测控制方法时,制导炸弹的飞行过程稳定,跟踪性能良好,舵机偏转合理。


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