空地制导武器多约束条件下的制导律设计

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 精确制导概述
• 1.1.1 精确制导武器及其制导控制系统概述
• 1.1.2 多约束条件下的精确制导技术
• 1.2 多约束条件下制导律研究的价值
• 1.2.1 多约束条件下制导律设计的意义
• 1.2.2 制导律设计的基本原则
• 1.2.3 多约束条件下制导律设计的难点问题
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 带落角控制的制导律研究
• 1.3.2 多约束条件下的制导律研究
• 1.4 论文研究内容和组织结构
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 主要创新点
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第二章 空地制导武器空间弹道方程
• 2.1 引言
• 2.2 基本坐标系及坐标转换
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 基本坐标系
• 2.2.3 坐标转换及角度关系
• 2.3 发射坐标系中的空间弹道方程
• 2.3.1 地球模型及地球引力
• 2.3.2 大气模型与空气动力
• 2.3.3 弹道计算方程
• 2.3.4 导引方程
• 2.4 典型弹道仿真
• 2.4.1 仿真弹道
• 2.4.2 传统带落角控制制导律的分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 最优制导律设计
• 3.1 引言
• 3.2 最优控制的理论基础
• 3.3 制导模型
• 3.3.1 弹目相对运动方程
• 3.3.2 制导模型的状态方程描述
• 3.4 多约束条件下最优制导律的设计
• 3.4.1 俯冲平面内的制导律设计
• 3.4.2 转弯平面内的制导律设计
• 3.4.3 三维空间内的制导律设计
• 3.5 速度约束算法
• 3.6 数值仿真及分析
• 3.6.1 对比仿真
• 3.6.2 多约束条件下的仿真
• 3.6.3 制导律分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 变结构制导律设计
• 4.1 引言
• 4.2 变结构控制理论基础
• 4.2.1 变结构控制理论
• 4.2.2 稳定性和可达性
• 4.3 最优滑模制导律设计
• 4.3.1 俯冲平面内的制导律设计
• 4.3.2 三维空间内的制导律设计
• 4.3.3 数值仿真及分析
• 4.4 目标运动条件下的变结构制导律设计
• 4.4.1 弹目相对运动方程
• 4.4.2 俯冲平面内的制导律设计
• 4.4.3 三维空间内的制导律设计
• 4.4.4 滑模观测器的简单设计
• 4.4.5 数值仿真及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 模型参考自适应制导律设计
• 5.1 引言
• 5.2 模型参考自适应控制理论概述
• 5.3 模型参考自适应控制律设计
• 5.3.1 系统描述和问题规划
• 5.3.2 等效控制器设计
• 5.3.3 模型参考自适应控制律
• 5.4 多约束条件下的模型参考自适应制导律设计
• 5.4.1 弹目相对运动方程
• 5.4.2 俯冲平面内的制导律设计
• 5.4.3 三维空间内的制导律设计
• 5.4.4 数值仿真及分析
• 5.4.5 制导律分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于李群方法的制导律设计
• 6.1 引言
• 6.2 李群控制理论基础
• 6.2.1 李群
• 6.2.2 李代数
• 6.2.3 SO（3）空间上的李群控制
• 6.3 基于矢量的制导模型描述
• 6.4 基于李群方法的滑模制导律设计
• 6.4.1 三维空间内的制导律设计
• 6.4.2 制导指令的实现
• 6.4.3 制导律分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 1、攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 2、基金项目
• 3、参与的工程项目
• 4、部分主要课题报告和教材