倾斜转弯导弹控制系统设计与仿真研究

倾斜转弯控制技术的控制特点决定了倾斜转弯导弹成为一个强耦合的非线性时变系统,这为其控制系统设计增大了难度。将某型倾斜转弯导弹俯仰、偏航及滚动通道间的耦合作用看作是干扰,然后应用H∞控制理论设计导弹自动驾驶仪。简单有效的方法就是求解代数Riccati方程的正定解,从而可以构造系统的反馈增益矩阵,得到满足要求的反馈控制器,但评估信号的选取是一个关键。通过三通道控制系统联合仿真研究表明,该设计方法可行,设计的自动驾驶仪对倾斜转弯导弹控制效果好,能快速跟踪导引指令,满足设计指标。     

基于预测校正的三回路驾驶仪极点配置设计

针对三回路自动驾驶仪设计中,以开环穿越频率为性能指标的极点配置算法存在的缺陷,提出了预测校正开环穿越频率极点配置设计方法。采用该方法完成了某战术导弹三回路自动驾驶仪设计;验证了该方法设计的控制系统比传统方法性能优异,满足期望开环穿越频率性能指标;分析了三回路自动驾驶仪各回路对导弹控制系统发挥的作用。通过实例分析,表明该方法克服了以往极点配置设计方法的缺点,便捷有效,收敛速度快,计算量小,非常适用于三回路自动驾驶仪的设计。     

BTT导弹非线性自动驾驶仪最优滑模设计

针对BTT导弹的飞行控制问题,提出了一种基于θ-D方法的最优滑模非线性自动驾驶仪设计方法.把导弹动态模型转化成一个级联的二回路系统结构,外环控制器的设计是基于θ-D近似方法的最优控制方法,内环控制器设计采用的是滑模控制方法,内环控制器所跟随的滑模面方程由外环最优控制得出.对所设计的非线性控制器进行了仿真分析,结果表明基于θ-D方法的最优滑模自动驾驶仪在非线性导弹飞行控制中具有较高的控制精度和很好的鲁棒性.     

现代控制理论在BTT导弹自动驾驶仪设计中的应用

本文应用现代控制理论的状态空间技术进行倾斜-转弯导弹自动驾驶仪设计方法的研究。该方法能够适应俯仰轴和偏航轴之间的陀螺仪和科里奥利交叉耦合。交叉耦合是由可能出现的高滚动角速度引起的。在设计中,可假定滚动角速度是常数,但不是零,这样的自动驾驶仪结构,其俯仰和偏航通道之间的交叉耦合取决于滚动角速度。自动驾驶仪增益也可预定为动压的函数。具有固定增益的降阶广义卡尔曼滤波器可用于估算执行机构的状态和指令加速度。按照这种方法设计的自动驾驶仪的性能,可用典型的高性能战术导弹动力学通过六自由度仿真来评估。从小的脱靶量和侧滑角来看,所获得的性能是优良的。     

导弹协同作战编队飞行控制系统研究

提出了具有3个回路的导弹协同作战编队飞行控制系统,分别对3个回路进行设计分析,并重点分析导弹的四维制导控制外回路和编队控制回路。面向具有过载自动驾驶仪内回路的增广飞控系统,设计了基于总能量控制理论的高度/速度解耦控制器,能够实现导弹制导控制外回路的高度/速度解耦。基于导弹编队队形的位置偏差关系设计了导弹编队控制器,最后综合3个回路构成了导弹编队飞行控制系统。仿真结果表明,各回路以及导弹编队控制系统具有很好的控制性能,能够快速、稳定地完成导弹编队的队形调整动作,进而实现任务规划系统对导弹编队提出的作战任务。     

基于自抗扰与模糊逻辑的大攻角控制系统设计

针对直接力/气动力复合控制空空导弹的敏捷转弯问题,提出了一种基于自抗扰控制技术与模糊逻辑的自动驾驶仪设计方法。将导弹俯仰通道分解为攻角控制回路与俯仰角速度控制回路,使用自抗扰控制方法分别设计控制器,并将其串联组成完整控制回路。由攻角指令得到虚拟控制量,然后通过模糊逻辑将虚拟控制量分配给气动舵与直接力喷流装置。最后使用模糊控制方法对自抗扰控制器的反馈增益进行在线调整。仿真结果表明,所提出的控制方案对大攻角指令有良好的跟踪效果,适用于空空导弹的大攻角敏捷转弯控制。     

用现代时域法设计BTT导弹自动驾驶仪

本文先建立了高性能BTT导弹控制系统和两个横向加速度指令数学模型。由于高性能BTT导弹滚转速率较大,俯仰、偏航通道间存在强动力学耦合,但滚动通道可以近似解耦。然后,用本文给出的模型跟随理论设计俯仰一偏航通道自动驾驶仪,用线性二次型理论设计滚动通道自动驾驶仪。为了满足远程全空域BTT导弹作战要求,自动驾驶仪中的增益是滚转速率和动压头的函数。最后,利用某典型地空导弹动力学模型进行了六自由度数字仿真,计算结果表明设计出的自动驾驶仪对导弹结构参数、气动参数、高度等变化具有良好的鲁棒性,导弹侧滑角、脱靶量很小。     

考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性的导引律

基于平面内目标-导弹相对运动方程,考虑导弹自动驾驶仪的二阶动态特性,应用动态面控制方法设计了一种新型导引律。在设计过程中,通过引入一阶低通滤波器,使得导引律的最终表达式中不含视线角速率的高阶导数,更易于实际应用。该导引律有效地克服了导弹控制系统的动态延迟对制导精度的影响。将该导引规律与未考虑导弹自动驾驶仪动态的自适应滑模导引律相比较,对目标非机动、阶跃机动和正弦机动三种情况进行仿真。仿真结果表明,在目标机动加速度快速变化,而且导弹自动驾驶仪存在较大滞后情况下,这种导引律仍具有很高的制导精度。     

基于自适应模糊快速终端滑模控制的导弹自动驾驶仪设计

针对一类多输入多输出非线性不确定系统,提出了自适应模糊快速终端滑模控制方法并应用于导弹自动驾驶仪的设计。利用模糊系统具有以任意精度逼近非线性系统的能力对未知干扰和不确定性进行逼近,并通过鲁棒项提高了系统性能。基于Lyapunov方法,证明了闭环系统所有信号渐进收敛。最后利用本文提出的控制方案设计了6自由度导弹的自动驾驶仪,仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性。     

垂直发射转弯复合控制分配策略研究

研究战术导弹垂直发射快速转弯复合控制分配策略.针对气动力与推力矢量复合控制技术,提出了战术导弹垂直发射程序转弯方案;建立了导弹复合控制数学模型,设计了复合控制回路;提出了三种复合控制分配策略:常比例系数线性分配策略、角误差的非线性函数分配策略和最小控制能量分配策略.纵向回路频域特性分析表明,系统具有良好的鲁棒性;通过弹道的六自由度仿真,验证了复合控制策略的可行性,给出了三种复合控制分配策略的特性比较分析结果.     

导弹伪攻角反馈三回路驾驶仪设计分析

阐述了几种典型过载驾驶仪的结构演变过程,对传统三回路驾驶仪的结构进行了适当改进,提出了采用伪攻角作为反馈信号的三回路驾驶仪新结构。研究了驾驶仪工程指标与闭环极点之间的对应关系以及从状态反馈到输出反馈的变换技术,给出了基于输出反馈极点配置的伪攻角反馈三回路驾驶仪设计方法。研究结果表明,伪攻角反馈三回路驾驶仪消除了传统三回路驾驶仪的静差,并具有与其相似的控制特性以及鲁棒性能。分析结果显示,两种结构的三回路驾驶仪对静不稳定弹都具有较好的稳定控制性。     

Analysis and improvement of missile three-loop autopilots

The non-minimum phase feature of tail-controlled missile airframes is analyzed. Three selection strategies for desired performance indexes are presented. An acceleration autopilot design methodology based on output feedback and optimization is proposed. Performance and robustness comparisons between the two-loop and classical three-loop topologies are made. Attempts to improve the classical three-loop topology are discussed. Despite the same open-loop structure, the classical three-loop autopilot shows distinct characteristics from a two-loop autopilot with PI compensator. Both the two-loop and three-loop topologies can stabilize a static unstable missile. However, the finite actuator resource is the crucial factor dominating autopilot function.     

三回路驾驶仪开环穿越频率约束极点配置设计

针对在三回路驾驶仪设计中,希望对开环穿越频率进行约束,以保证设计完成后的系统在考虑驾驶仪各硬件动态特性后仍能满足稳定性要求.在极点配置的计算方法基础上,构造以系统非主导极点为变量,以开环穿越频率为约束的非线性方程,利用方程求解程序求解相应的非主导极点值,进而完成驾驶仪设计.驾驶仪设计实例验证表明,这一方法便捷可行,非常适用于三回路驾驶仪工程设计.     

时敏制导炸弹离散自适应滑模BTT自动驾驶仪设计

为提高航空时敏制导炸弹控制系统的鲁棒性能,增强其大空域作战能力,将参数估计与离散滑模控制相结合,提出了一种适用于航空时敏制导炸弹倾斜转弯(bank-to-turn,BTT)自动驾驶仪的离散自适应滑模设计方法。建立了包含参数摄动项的BTT控制仿射模型,针对弹体气动对称与交叉耦合等特性,利用反馈线性化方法实现了原系统的解耦控制,并得到了参数化的离散滑模控制律;基于Lyapunov稳定性理论设计了控制器参数的自适应规律,有效克服了各动力学系数偏差引起的不确定扰动。仿真结果表明,所设计的离散自适应滑模BTT控制系统实现了各通道的解耦控制,能有效解决含有较大程度气动不确定性时炸弹的指令跟踪控制问题,并且消除了常规滑模控制的抖振现象。     

Novel backstepping design for blended aero and reaction-jet missile autopilot

The advanced missile uses blended control of nero-fin and reaction-jet to improve missile maneuverability. The blended control design, which is multi-inputs and multi-outputs （MIMO）, severe nonlinear, and model uncertain, is much more complex than conventional nero-fin control. A novel nonlinear backstepping control approach is proposed to design the blended autopilot. Missile model is reformed to a new one by state reconstruction technique so that it is easy to be handled by the backstepping method. Then a Lyapunov function is chosen to avoid oscillation caused in normal backstepping way when control parameters are mismatched. In distribution of both inputs, optimal energy logic is proposed. In addition, a fuzzy cerebellar model articulation controller （FCMAC） neural network is used to guarantee controller robustness to uncertainties. Finally, simulation results demonstrate the efficiency and advantages of the proposed method.     

直接力导弹的模型参考自适应滑模控制器设计

针对导弹直接力/气动力复合控制的特点,提出了一种基于参考模型的自适应滑模控制方案.该设计方法针对系统所存在的不确定性,在滑模控制中引入了自适应参数调节律和模糊控制规则,采用自适应律逼近模型摄动和外界干扰的上界,采用模糊调节律有效减弱了一般变结构控制系统的抖颤问题,既进一步增强了系统的鲁棒性,又提高了自适应参数收敛过程中的跟踪精度.仿真结果表明,所提出的控制方案对机动指令具有较好的跟踪效果,适用于直接力/气动力复合控制导弹的控制系统设计.     

基于深度强化学习的驾驶仪参数快速整定方法

针对深度强化学习方法对驾驶仪控制参数训练速度慢、奖励函数收敛性不好等问题,以三回路驾驶仪极点配置算法为核心,提出一种将三维控制参数转换为一维设计参量的智能训练方法,构建离线深度强化学习训练叠加在线多层感知器神经网络实时计算的智能控制架构,在提高深度强化学习算法的效率和奖励函数收敛性同时,确保在大范围飞行状态变化条件下控制参数的快速在线自整定。以典型再入飞行器为例,完成深度强化学习训练和神经网络部署。仿真结果表明,强化学习动作空间简化后的训练效率更高,训练得到的驾驶仪对控制指令的跟踪误差在1.2%以内。     

考虑导弹动态延迟特性的滑模导引律设计

基于平面拦截问题,考虑导弹自动驾驶仪一阶动态延迟特性,应用滑模变结构控制方法,以零化视线角速率为目的,设计了一种滑模导引律。该导引律可使得滑模面在有限时间内收敛至零,进入滑模面后可确保视线角速率在制导结束前收敛于零,从而保证高制导精度,且导引律中的变结构项只要大于目标加速度的变化率即可保证制导系统的有限时间收敛性和鲁棒性,从而大大降低了制导系统的抖动。最后以空中拦截为例,仿真验证了在导弹自动驾驶仪存在大延迟和目标做大机动逃逸下,该导引律具有良好的制导性能和高制导精度。