非线性自适应控制理论在导弹姿态控制器设计中的应用

论文摘要

未来战争是一场高技术的较量,对武器的性能提出来更高的要求。为提高导弹作战性能,各国都在潜心研究导弹的控制技术。战场环境日益恶化,高技术兵器种类增多,要求导弹机动性强、敏捷性高、作战空域大等特点。这些战术要求决定了导弹成为一个强耦合的非线性时变系统,这就加大了控制系统设计的难度。应用成熟的线性理论进行三通道独立设计的传统方法已不再适用。因此,寻求一种更有效的方法用于导弹控制系统设计成为研究热点。本文运用非线性自适应控制理论设计了导弹的自动驾驶仪,该设计方法克服了传统自动驾驶仪在控制导弹高性能飞行中的不足。本文的研究工作主要包含以下几方面:首先,针对所研究导弹实际对象,在合理的假设基础上,建立了其运动学和动力学模型,在此基础上考虑到导弹的结构和飞行特点,进行了化简,得到了适合控制器设计的非线性数学模型。然后,根据导弹俯仰面动力学方程和多项式形式的气动参数,建立系统导弹俯仰通道控制模型。为保证控制律存在,对指令信号进行轨迹规划,并优化其参数,达到电动舵机低功耗的目的。在此基础上,采用自适应反演控制理论,设计了导弹俯仰通道的控制器。接着,针对一类未知控制方向且带有气动参数不确定性的导弹,研究了其自动驾驶仪的设计问题。在前述模型的基础上,采用基于Nussbaum增益非线性自适应控制理论,设计了导弹俯仰通道的控制器,控制律无需预先知道控制方向和不确定参数的上下界信息,增强了系统的适应性和鲁棒性。数字仿真结果表明,在考虑了各种不确定性的情况下,攻角仍能很好的跟踪指令信号,验证了控制律的正确性和有效性。最后,针对BTT导弹控制模型的特点,将模型通道进行了重新划分,提出了一种准三通道的导弹姿态控制器的设计方法。经过数学过推导,得到了一种具有动态结构的姿态控制器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及其意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 非线性自适应控制理论的研究现状
• 1.2.2 导弹自动驾驶仪的设计方法
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 导弹数学模型的建立
• 2.1 预备知识
• 2.1.1 常用坐标系及其转换关系
• 2.1.2 导弹质心运动的动力学方程
• 2.1.3 导弹绕质心转动的动力学方程
• 2.2 BTT 导弹的数学模型
• 2.2.1 作用在导弹上的力和外力矩
• 2.2.2 导弹的运动学方程
• 2.2.3 导弹转动动力学方程
• 2.2.4 常用控制模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于轨迹规划的导弹自适应控制器设计
• 3.1 导弹俯仰面的动力学模型
• 3.2 系统的不确定性模型
• 3.3 姿态运动轨迹的规划
• 3.4 姿态轨迹跟踪控制器的设计
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 未知控制方向导弹的非线性自适应控制
• 4.1 控制方向未知的自适应控制理论
• 4.1.1 系统描述及假设
• 4.1.2 控制器设计
• 4.2 控制方向未知条件下导弹控制方案
• 4.2.1 控制器设计
• 4.2.2 稳定性分析
• 4.3 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 导弹姿态控制器的反演设计
• 5.1 控制目标
• 5.2 反演控制器设计
• 5.2.1 准俯仰通道控制器设计
• 5.2.2 准偏航通道控制器设计
• 5.2.3 滚转通道控制器设计
• 5.2.4 控制输入的综合
• 5.3 仿真模型的实现
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢