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空地制导武器多约束条件下的制导律设计

孙未蒙  
【摘要】: 空地制导武器多任务、复合型、通用化、精确化的发展趋势,要求在满足攻角、速度、弹体姿态等多方面的约束条件下,实施制导武器的精确打击。针对多约束条件下制导律设计中存在的参数优化、鲁棒性、目标运动、模型失配、运动耦合等方面的关键性问题,论文循序渐进、逐步深入地展开对制导律的研究和设计工作,主要工作及创新点如下: 1、为了便于制导律性能的验证,论文首先建立了空地制导武器的空间弹道方程以及数字仿真验证平台,并利用仿真结果指出了传统制导律所存在的局限性,为多约束条件下制导律的设计提供了依据和基础。 2、多约束条件下制导律的设计首要考虑的是参数优化问题,论文利用最优控制理论完成了多约束条件下的最优制导律设计。设计中,在将空地制导武器三维空间分解成俯冲平面和转弯平面的基础上,把弹体动态特性引入导引回路中,将末端姿态角约束转化为最优控制的终端约束问题,利用微分矩阵Riccati方程,设计了一种多约束条件下的最优制导律。并利用梯度下降法和模糊控制理论,设计了一种传统速度约束控制的改进算法。最优制导律的设计为论文其他制导律参数的整定提供了依据。 3、为了增强制导律的鲁棒性,克服制导武器飞行时参数摄动和外界扰动的影响,论文利用变结构控制理论,设计了一种多约束条件下的最优滑模制导律。其方法是在双平面分解假设的基础上,利用变结构控制理论中的最优滑模控制器设计方法,推导出一种三维空间内多约束条件下的最优滑模制导律。滑模制导律的鲁棒性为后续制导律的设计提供了借鉴。 4、为了将针对固定目标的最优制导律推广到对运动目标的制导中去,论文利用虚位移概念构建立了弹目相对运动关系,根据Lyapunov函数和变结构控制理论,设计了一种目标运动时多约束条件下的变结构制导律,并利用最优制导律整定了制导参数。同时利用滑模理论建立了一种非线性观测器,对目标参数等未知量进行估计和预测。 5、针对制导模型失配有可能导致脱靶的问题,通过对模型参考自适应控制律算法的研究,设计了一种多约束条件下的模型参考自适应制导律。论文从研究一类典型的非线性时变系统着手,以模型参考控制和变结构控制理论为基础,设计了两个模型参考自适应控制律算法。然后以线性模型作为制导参考模型,最优制导律作为参考模型控制输入,根据模型匹配条件,利用模型参考自适应控制律算法,得到一种多约束条件下的模型参考自适应制导律。 6、利用双平面分解假设条件设计制导律时,忽略了弹体滚动带来的运动耦合问题,为了克服这种设计缺陷,论文利用李群控制理论和滑模控制理论,推导出一种多约束条件下基于李群方法的滑模制导律。在将制导律分解成倾斜转弯和侧滑转弯制导指令形式的基础上,分析了制导指令分解所带来的制导信息损失的特点。 本文围绕多约束条件下制导律设计的相关理论和关键技术,运用最优控制、变结构控制、李群控制等现代控制理论,采用理论推导和数值仿真相结合的研究方法,开展了多约束条件下制导律设计问题的研究。本文的研究成果是对多约束条件下高精度制导律设计的有益探索,具有重要的理论价值和良好的应用前景。


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