固体弹道导弹鲁棒及自适应姿态控制系统设计研究

论文摘要

论文以弹道导弹姿控系统设计及六自由度飞行仿真为背景,对导弹姿控系统设计的常规方案以及自适应方案进行了研究,并基于MATLAB平台开发了姿控系统频域设计及时域仿真一体化软件。工程实际中导弹姿控系统设计采用的是固定控制器+增益规划的常规方案,其中的难点在于定点控制器的设计。论文在建立包括弹性振动在内的受控对象模型的基础上,采用流行的H∞鲁棒控制方法以及多目标进化优化方法进行了姿控系统定点控制器的设计。设计实例表明使用H∞方法能得到基本满足要求的控制器,而使用多目标进化优化方法则能得到具有较好性能的控制器。常规方案为保证高频弹性振动的鲁棒稳定性会使姿控系统的设计结果具有一定的保守性,且控制器的调试也比较困难。论文采用一个二阶的陷阱滤波器实现了弹性模态的自适应幅值稳定,其中使用扩展卡尔曼滤波算法对模态频率进行了在线参数估计。这种自适应陷阱滤波器+增益规划的新方案既降低了常规方案姿控系统设计的难度又避免了设计结果的保守性。论文基于MATLAB平台开发了导弹姿控系统计算机辅助设计（ACSCAD）软件,软件实现了姿控系统频域设计以及时域仿真的一体化。ACSCAD软件提高了工作效率,使设计人员能够有更多的精力投入到新的姿控方案的研究上来。论文给出了使用ACSCAD软件进行的两个姿控系统设计实例,设计结果均满足指标要求,表明使用ACSCAD软件能有效地完成姿控系统的设计任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 鲁棒控制理论及在飞行控制中的应用
• 1.2.1 鲁棒控制理论发展概述
• 1.2.2 LMI的发展及应用于鲁棒控制
• 1.2.3 鲁棒控制理论在飞行控制中的应用
• 1.3 多目标进化算法及其控制应用
• 1.3.1 多目标进化算法发展概述
• 1.3.2 多目标进化算法在鲁棒控制中的应用
• 1.4 弹道导弹自适应姿控系统设计研究
• 1.4.1 飞行器实时参数估计概述
• 1.4.2 基于扩展卡尔曼滤波的参数估计
• 1.5 弹道导弹姿控系统计算机辅助设计研究
• 1.5.1 CSCAD技术的发展概述
• 1.5.2 导弹姿控系统CAD软件开发
• 1.6 论文主要创新点
• 1.7 论文内容和结构
• 第二章 弹道导弹姿态控制系统数学模型
• 2.1 导弹姿控系统的结构和特征
• 2.1.1 导弹姿控系统的结构
• 2.1.2 导弹姿态控制的一般特征
• 2.2 导弹姿态运动数学模型的建立
• 2.2.1 刚体小扰动俯仰运动方程
• 2.2.2 弹性振动方程
• 2.3 姿控系统传递函数及状态空间模型
• 2.3.1 开环设计对象传递函数模型
• 2.3.2 开环设计对象状态空间模型
• 2.4 导弹姿态运动稳定性分析
• 2.4.1 刚体运动稳定性分析
• 2.4.2 弹性振动稳定性分析
• 2.5 导弹姿控系统设计的性能指标
• 2.5.1 稳定性指标
• 2.5.2 精度指标
• 2.5.3 动态性能指标
• 2.5.4 抗干扰指标
• 2.6 本章小结
• 第三章 弹道导弹鲁棒姿控系统设计研究
• 3.1 导弹姿控系统设计的鲁棒性要求
• 3.1.1 姿控设计对象的模型不确定性
• 3.1.2 鲁棒性指标
• 3.2 导弹鲁棒姿控系统的性能描述
• 3.2.1 反馈控制系统的一般性质
• ∞范数指标与权函数的选取'>3.2.2 H_∞范数指标与权函数的选取
• ∞标准问题的LMI求解'>3.3 H_∞标准问题的LMI求解
• ∞标准问题'>3.3.1 H_∞标准问题
• ∞标准问题的LMI解'>3.3.2 H_∞标准问题的LMI解
• 3.4 导弹鲁棒姿控系统设计
• 3.4.1 混合灵敏度方法
• 3.4.2 回路成形法
• 3.5 本章小结
• 第四章 弹道导弹姿控系统多目标进化优化设计
• 4.1 进化算法在控制工程中的应用
• 4.1.1 进化算法控制应用的特点和范围
• 4.1.2 控制系统的多目标进化优化设计
• 4.2 多目标进化算法NSGA-II
• 4.2.1 多目标优化问题的描述
• 4.2.2 NSGA-II的算法原理
• 4.3 导弹鲁棒姿控系统的多目标进化优化设计
• 4.3.1 控制系统设计转化为多目标优化问题
• 4.3.2 导弹姿控系统设计转化为多目标优化问题
• 4.4 导弹姿控系统多目标进化优化设计实例
• 4.4.1 一级飞行段最大动压时刻
• 4.4.2 二级飞行段起控时刻
• 4.5 本章小结
• 第五章 弹道导弹自适应姿控系统设计研究
• 5.1 导弹弹性振动的模型不确定性和幅值稳定
• 5.1.1 弹性振动的模型不确定性
• 5.1.2 弹性模态的陷阱滤波器幅值稳定
• 5.2 扩展卡尔曼滤波算法
• 5.2.1 卡尔曼滤波算法
• 5.2.2 扩展卡尔曼滤波算法
• 5.3 基于扩展卡尔曼滤波的弹性模态参数估计
• 5.3.1 扩展卡尔曼滤波进行参数估计的原理
• 5.3.2 导弹弹性振动参数估计模型
• 5.3.3 导弹弹性振动参数估计的算法
• 5.4 自适应姿控系统仿真试验
• 5.4.1 自适应姿控系统Simulink仿真模型
• 5.4.2 一级飞行段仿真结果
• 5.4.3 二级飞行段仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 弹道导弹姿控系统计算机辅助设计研究
• 6.1 ACSCAD软件的功能结构以及图形界面
• 6.1.1 ACSCAD软件的功能结构
• 6.1.2 ACSCAD软件的图形界面
• 6.2 导弹六自由度仿真的数学模型
• 6.2.1 六自由度仿真建模的特点
• 6.2.2 常用坐标系的定义及转换
• 6.2.3 动力学方程
• 6.2.4 姿控系统回路
• 6.2.5 制导系统回路
• 6.2.6 非线性姿控系统
• 6.3 导弹六自由度仿真的Simulink建模
• 6.3.1 导弹六自由度仿真总体结构
• 6.3.2 六自由度仿真典型子系统建模
• 6.4 使用ACSCAD软件的姿控系统设计实例
• 6.4.1 某导弹姿控系统设计结果
• 6.4.2 导弹起飞漂移六自由度仿真分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士期间取得的学术成果