基于L_1自适应的过载驾驶仪设计与全弹道仿真

本文针对便携式自寻的反坦克导弹进行了基于L_1自适应控制理论的导弹过载自动驾驶仪设计与全弹道仿真验证.首先建立了面向L_1自适应控制的便携式自寻的反坦克导弹动力学数学模型,然后基于L_1自适应控制理论和增益调度思想,针对动力学参数时变特性设计了导弹过载自动驾驶仪,并进行了响应性能仿真验证,最后在导弹飞行速度时变情况下设计了一种改进的弹道成型制导律,并将L_1自适应过载自动驾驶仪和弹道成型制导律结合在一起,进行了便携式自寻的反坦克导弹全弹道仿真.研究表明,本文设计的过载自动驾驶仪能够在导弹动力学参数快速时变且存在不确定性的情况下很好地响应过载指令,所提出的弹道成型制导律能使导弹以大落角近距离攻击目标顶部,且满足系统框架角、攻角、过载等约束条件.     

大落角机动目标逆轨拦截最优滑模制导律设计

针对阵地防空中大落角机动目标较难拦截的问题, 首先采用最优控制理论设计了具有攻击角约束的最优制导律, 为提高最优制导律的鲁棒性，结合变结构控制理论设计了带攻击角约束的最优滑模制导律。考虑到目标弹道倾角通常难以测量的问题, 采用扩张状态观测器对目标弹道倾角进行估计。基于李雅普诺夫稳定性理论对最优滑模制导律进行稳定性分析, 设计了能保证系统稳定的参数变化函数。仿真结果表明, 最优滑模制导律能以期望的攻击角和较小的脱靶量命中目标, 制导过程中指令变化较为平稳, 对目标的加速度机动具有较强的鲁棒性。     

基于扩张状态观测器的反预警滑模制导律

针对预警机的特殊作用,提出了利用临近空间高超声速飞行器的高度优势与速度优势,对预警机实施打击的概念,设计了反预警的制导律。针对预警机的机动,将其视为外在扰动,利用扩张状态观测器将其扩张为一个新的状态量,并对此状态量进行实时观测,将其补偿到制导指令中,有效解决了拦截末端需用过载过大的问题;同时对攻击目标时的落角进行约束,设计了带有落角约束的滑模制导律。将所设计的制导律与传统的弹道成型制导律作对比,结果表明,在飞行末段,滑模制导律具有更小的过载与视线角速度,相比传统弹道成型更具优势。     

终端和过载约束下的双圆弧制导律

为满足导弹打击目标的落角、时间与过载约束,设计了一种双圆弧轨迹和相应制导律。在初始速度方向角和终端落角的约束下,利用双圆弧的相切关系推导了双圆弧轨迹的解析形式及其可行解集。根据双圆弧轨迹结果由切点决定的特征,推导得出使轨迹满足过载约束、终端约束或能量最优的切点选择方法。之后利用圆弧几何特性和弹目相对运动关系,设计了不依赖弹目距离信息的双圆弧制导律。数值仿真结果表明,双圆弧制导律能够满足复杂约束,且与最优制导律相比,可获得能量最优性相当的结果。     

基于零化视线角速率的非线性预测制导律

利用非线性预测控制理论设计了一种零化视线角速率的预测制导律. 首先, 以弹目视线角速率为反馈项, 最小化预测误差为性能指标, 基于非线性预测控制理论和最优化理论推导出非线性预测制导律, 并对闭环回路的稳定性进行了证明. 其次, 针对制导律中含有的目标机动项信息, 设计了一种基于时间延迟控制理论的滤波算法, 并应用于预测制导律, 最后仿真考虑到导弹的延迟环节, 采用三阶自动驾驶仪模型, 验证了设计的制导律能够有效拦截机动目标, 与传统比例导引相比, 视线角速率变化平稳, 克服了末端视线角速率变化过快而导致过载饱和的情况, 降低了对执行机构的要求.     

一种适用于红外制导弹药的偏置比例导引律

针对弹道成型制导律不适用于红外制导弹药的落角约束,提出了一种无需剩余飞行时间信息的偏置比例导引律。根据建立的弹目相对运动几何模型和碰撞三角形,推导出了期望落角与需用偏置积分量之间的函数关系;求出了偏置比例导引无量纲弹道闭环解与稳定域,并分析了不同因素对偏置比例导引律制导性能的影响;最后对比研究了偏置比例导引制导律与弹道成型的性能。仿真结果表明,偏置比例导引律在落角精度、制导精度与最大需用过载这些关键制导性能指标方面接近于弹道成型制导律,适用于红外制导弹药对地面运动装甲目标的落角约束问题。     

基于零控拦截的微分几何制导律

基于零控拦截打击的思想设计了一种新型微分几何制导律.论文首先介绍了微分几何相关知识,基于伏雷内(Frenet)坐标系分析了拦截器和目标的相对运动学关系,基于零控拦截的思想设计了一种新型微分几何制导律,并给出拦截器速度方向矢量变化的迭代计算方法.其次,结合圆形相关理论,利用李亚普诺夫稳定性定理对设计微分几何制导律的稳定性进行了详细证明推导.最后通过仿真表明,该制导律可有效拦截机动目标,相对于传统的比例导引律,设计的新型微分几何制导律制导精度高,拦截时间短,避免了末端过载快速增大的现象,降低了执行机构的要求.     

三轴稳定质量矩拦截器的末制导律设计

针对大气层内的机动飞行目标,提出了一种可用于质量矩拦截器末制导段的比例制导律。通过建立三轴稳定质量矩拦截器的数学模型,得到一个非线性动力系统。考虑到法向过载变化比较灵敏的特点,以姿态角及过载的误差作为指标函数,采用遗传算法对PD控制参数进行寻优设计,建立了滑块位置与过载、姿态角的关系。仿真结果表明,该方法在保证姿态稳定的情况下能有效实现拦截器末段的制导控制,且满足一定的精度要求。     

基于二阶滑模控制的微分几何制导律

针对机动目标拦截设计了一种零化视线角速率的微分几何制导律。首先,基于古典微分几何原理,对弹目拦截的空间几何关系进行分析,建立了弹目拦截的相对运动学模型;其次,针对外界干扰对非线性仿射系统的影响,设计了二阶滑模变结构控制器,并对控制器的稳定性和有限时间收敛性进行了分析。再次,以二阶滑模控制器为基础,将目标机动作为外界扰动项,基于零化视线角速率的思想设计微分几何制导律。为克服解耦条件下带来的信息丢失,利用李群理论,给出了非解耦条件下导弹制导曲率指令和挠率指令的计算方法,同时为避免拦截过程中制导指令出现奇异,对拦截的初始条件进行了研究,给出了导弹拦截目标的捕获条件。最后仿真表明,所设计的微分几何制导律制导精度高,拦截时间短,过载变化较为平稳,相对于传统的非线性微分几何制导律,大大提升了制导性能。     

视线角约束自适应滑模中制导律

基于导弹和目标相对运动方程,设计了视线角约束自适应滑模中制导律。应用Lyapunov稳定性理论证明了该制导律能使制导系统在有限时间内收敛至滑动模态面;当制导系统进入滑动模态面后,基于积分理论证明了中末制导交班时刻视线角能够收敛至期望值且视线角速率可以收敛至零附近。进一步将该制导律扩展到三维空间的拦截问题。最后,针对拦截正弦机动目标进行了仿真。结果表明:设计的制导律鲁棒性强,引起的交班误差小。     

基于扰动观测器的终端角约束滑模导引律

为了对导弹攻击机动目标时的终端角进行约束,提出了一种基于扰动观测器的滑模导引律。将导弹速度的时变、运动目标的机动逃逸等视为对导弹目标相对运动系统的总扰动,采用扰动观测器对总扰动进行有效估计,结合滑模控制理论提出了一种对导弹终端角进行约束的导引律,并基于李雅普诺夫稳定性原理证明了该导引律的渐进稳定性。为满足制导精度并有效地抑制抖振,运用边界层法对该导引律进行了改进,分析并确定了制导精度、边界层厚度和导引律系数之间的关系。仿真结果表明,该导引律具有良好的导引性能和鲁棒性,且与普通的滑模导引律相比,具有较小的导弹最大法向加速度和较平缓的法向加速度变化过程,有利于工程实现。     

带攻击角度约束的浸入与不变制导律

对含攻击角度约束的机动目标拦截问题,基于非线性系统控制的浸入与不变(immersion and invariance, I&I)理论设计了一种新的自适应制导律。将目标机动综合作用作为系统干扰建立拦截问题的数学模型。制导律设计分两步完成:第一步设计I&I干扰估计器估计系统干扰,第二步设计考虑估计器跟踪误差下的I&I制导律。然后基于输入-状态稳定理论证明闭环制导系统稳定性。由于不涉及切换函数的问题,制导指令光滑连续。在该制导律作用下,视线角速率收敛速度快,导弹抗目标机动的鲁棒性强,并能够保证攻击角度要求,仿真证实了制导律的有效性。     

机动目标拦截新型微分几何制导律设计

针对大气层内机动目标拦截问题,基于广义微分几何制导体制设计了一种新型的微分几何制导律。与控制视线转率有限时间内收敛不同,采用视线转率随着弹目相对距离减小而渐进收敛的滑模面。鉴于观测器估计目标加速度存在初始尖峰现象,且嵌入观测器的制导律难以证明稳定性,假设目标加速度是具有未知上界的干扰,提出一种双幂次的自适应律对其上界进行估计。通过添加修正项,消除了饱和函数替代符号函数对稳定性的影响,并证明了所设计的制导律是渐进稳定的。仿真结果表明,所设计的新型的微分几何制导律能够有效拦截机动目标,且过载分布均匀、能量消耗少。     

基于数据驱动的攻击时间和攻击角度控制导引律

为了提高导弹突防能力并有效打击目标, 对同时实现攻击时间和攻击角度控制的导引律进行了研究。基于一种以数据驱动为核心的方法, 将导引过程分为第一阶段攻击时间控制和第二阶段攻击角度控制。根据攻击角度控制导引律生成驱动数据, 采用人工神经网络技术建立了剩余飞行时间映射网络, 据此求得攻击时间控制阶段的攻击时间误差。基于比例导引法, 利用攻击时间误差设计出攻击时间控制导引律, 从而使导弹同时实现攻击时间和攻击角度控制。仿真结果表明, 所提出的导引律在不同条件下均能有效实现攻击时间和攻击角度控制, 与现有文献相比, 最大过载减少约43%, 需用控制总能量减少约46%。     

带多约束的多弹分布式自适应协同导引律

针对网络化制导弹药打击近岸机动目标的末制导段,基于协同一致性理论与Lyapunov稳定性理论,提出了一种分布式模糊自适应协同导引律。考虑攻击角约束和视线角速率测量受限,构建协同导引系统的状态空间。设计扩张状态观测器(extended state observer, ESO)迅速准确地观测出在视线切向、法向与侧向上的不确定干扰。在视线切向,运用积分滑模设计分布式协同控制量,保证命中时刻在有限时间内趋于一致。在视线法向与侧向,设计了具有自适应指数趋近律的非奇异终端滑模,运用了弹目相对距离与接近速率信息,使终端视线角跟踪误差与视线角速率在有限时间内收敛至零。引入具有万能逼近性的模糊自适应系统(fuzzy adaptive system, FAS),既消除了由滑模切换项诱发的控制量高频抖振,又确保了系统一致最终有界(uniformly ultimately bounded, UUB)。仿真实验表明:与非奇异终端滑模方法相比,该导引律使组网弹药能够以更好的导引性能攻击机动目标。     

带有攻击角和视场角约束的制导炮弹导引律设计

针对制导炮弹攻击地面目标的末端导引问题, 提出一种带有攻击角和视场角约束的有限时间滑模导引律。首先, 在传统终端滑模面的基础上加入视场角约束, 并构造正切型障碍李雅普诺夫函数来解决滑模面到达段的约束问题, 以保证制导系统在状态受限的情况下有限时间收敛。其次, 利用扩张状态观测器来估计并补偿目标机动带来的扰动, 有效削弱了导引指令的抖振现象。然后, 基于稳定性理论对导引律进行分析与证明。最后, 通过仿真对比验证该导引律的有效性与鲁棒性。仿真结果表明, 该导引律不仅能满足攻击角和视场角约束, 还具有指令连续、制导时间短、命中精度高等优点。     

带导引头视场限制的多约束导引律及剩余时间估计

具有攻击角度约束的导引律能够使导弹按指定方向打击目标,具有攻击时间约束的导引律能够使导弹按指定时间打击目标。相比于传统的导引方法（如比例导引律）,此类导引律均带来额外的机动,从而可能导致目标超出导引头视场（即使对于静止目标）。针对该问题,利用余弦函数的非线性特性,首先构造了一种带有导引头视场限制及攻击角度约束偏置项的比例导引律,并推导了该导引律的剩余时间估计。然后通过附加剩余时间误差反馈项,得到了一种带导引头视场限制并同时具有攻击角度约束与攻击时间约束的导引律。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

Integrated guidance and control design for missile with terminal impact angle constraint based on sliding mode control

Aimed at the guidance requirements of some missiles which attack targets with terminal impact angle at the terminal point, a new integrated guidance and control design scheme based on variable structure control approach for missile with terminal impact angle constraint is proposed. First, a mathematical model of an integrated guidance and control model in pitch plane is established, and then nonlinear transformation is employed to transform the mathematical model into a standard form suitable for sliding mode control method design. A sufficient condition for the existence of linear sliding surface is given in terms of linear matrix inequalities (LMIs), based on which the corresponding reaching motion controller is also developed. To verify the effectiveness of the proposed integrated design scheme, the numerical simulation of missile is made. The simulation results demonstrate that the proposed guidance and control law can guide missile to hit the target with desired impact angle and desired flight attitude angle simultaneously.     

带落角约束和目标机动补偿的三维制导律

针对反舰导弹按预定方向攻击机动目标的问题,在目标信息较少的情况下,基于带有目标机动加速度的三维弹目相对运动模型,模型纵向航向通道间存在耦合,从便于工程实现的角度,根据李雅普诺夫稳定性定理以及变结构控制理论,分别设计了两种带落角约束和目标机动补偿的导引律:增广比例导引律(augmented proportional navigation guidance law, APNG)和变结构导引律(variable structure guidance law, VSG)。导引律只需要在线测量弹目视线角和视线角的角速度两个变量,并从理论上证明了制导系统的稳定性。仿真结果表明,APNG比传统比例导引(proportional navigation guidance law, PNG)的制导精度明显提高,脱靶量减小。但是比VSG的效果要差一些,尤其是当目标机动加剧时,VSG对于目标机动的鲁棒性更高,优势更为突出。