SINS/GPS制导炸弹鲁棒控制方法研究

论文摘要

基于第三代激光制导炸弹在战争中暴露出的各种缺点,具有低成本、高精度的以SINS/GPS（捷联惯导／卫星）为导航方式的制导炸弹逐渐发展起来；针对我国目前无控航空弹药库存较多,且打击精度以及对载机安全性较差的状况,深入开展常规制导炸弹的制导化改造相关理论和技术研究具有重要的现实意义和军事意义。本文以SINS/GPS制导炸弹工程研制为背景,针对制导炸弹在大空域飞行过程中受外界干扰和模型摄动较大的情况,研究了基于鲁棒控制理论的制导控制系统关键技术,并进行了数值仿真、转台半实物仿真、跑车模拟轰炸试验和挂飞及投弹试验。针对制导炸弹自身特点和技战术要求,为增加射程、提高精度,采用了“滑翔增程中制导+带落角约束鲁棒末制导”的复合制导方案。中制导采用最大升阻比的滑翔增程方案以增加射程；末制导从鲁棒控制角度求解出一种带落角约束的满足L2增益指标的鲁棒制导律,该制导律以控制视线角稳定为目标,不要求制导炸弹速度可控,选取状态变量简单,求解过程简便,避免了求解复杂的HJI （Hamilton-Jacobi-Issacs）不等式,宜于工程应用。在制导炸弹鲁棒飞行控制系统设计中,首先推导了包含S／T／R的广义受控对象的状态空间模型,将混合灵敏度问题转化为标准H∞问题；然后以制导炸弹滚转通道为设计对象,讨论了权函数选取的一般原则,提出了权函数选取的一般方法,并尝试给出权函数的一般形式。但常规选取权函数的方法需要反复调试,并且不能求得最优或者次优控制器。为降低权函数的选取难度,克服人工选取的保守性,引入了人工鱼群优化算法；针对该算法存在的缺点,提出了一种引入饥饿因子以自适应调节视野、步长和拥挤度因子的改进策略；最后采用改进的人工鱼群算法优化选取了混合灵敏度的权函数,设计了制导炸弹鲁棒控制器。H∞混合灵敏度方法可以解决系统鲁棒性问题,但由于设计出的控制器往往阶次较高、实现复杂,难以在工程中应用；同时控制系统一般需要满足多个性能指标要求。因此本文将先进的H∞控制理论与经典的PID控制策略结合起来,提出了一种基于人工鱼群算法的多目标优化方法,设计了制导炸弹的多目标鲁棒PID控制器。首先分析了制导炸弹控制系统的多目标要求,然后在满足系统鲁棒指标的前提下,选取内、外回路的时域指标作为多目标优化的子目标,求解了系统的Pareto最优解,供决策者选取。在各种偏好下,Pareto解可以很好的兼顾各个指标。论文首先对系统进行了数值仿真,并且在分析影响制导精度误差源的基础上进行了转台半实物仿真,然后进一步进行了地面模拟轰炸试验、挂飞及投弹试验。投弹试验取得了圆满成功,也验证了制导炸弹制导控制系统设计的正确性与可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 鲁棒控制理论在制导和飞行控制中的应用
• ∞鲁棒控制理论的发展概述'>1.2.1 H_∞鲁棒控制理论的发展概述
• 1.2.2 鲁棒控制理论在制导律设计中的应用
• 1.2.3 鲁棒控制理论在飞行控制中的应用
• 1.3 人工鱼群算法研究现状
• 1.4 多目标优化方法研究现状
• 1.5 论文主要创新点
• 1.6 论文内容和结构
• 2 制导炸弹数学模型
• 2.1 常用坐标系及其转换
• 2.2 制导炸弹所受的外力和力矩
• 2.2.1 所受的外力
• 2.2.2 所受的外力矩
• 2.3 制导炸弹运动方程组
• 2.4 扰动运动分析
• 2.4.1 非线性微分方程线性化
• 2.4.2 纵向扰动运动方程组
• 2.4.3 侧向扰动运动方程组
• 2.5 传递函数及状态空间模型
• 2.5.1 制导炸弹传递函数模型
• 2.5.2 制导炸弹状态空间模型
• 2.6 制导炸弹稳定性分析
• 2.7 制导炸弹设计的性能指标
• 2.8 本章小结
• 3 制导炸弹鲁棒制导律设计研究
• 3.1 制导炸弹制导律方案构想
• 3.2 纵向通道中制导方案设计与转接条件分析
• 3.2.1 纵向通道中制导方案
• 3.2.2 纵向通道中、末制导转接条件分析
• 2性能准则'>3.3 鲁棒稳定与L₂性能准则
• 3.3.1 无源性与稳定性
• 2性能准则'>3.3.2 γ-耗散与L₂性能准则
• 3.3.3 L-2增益与HJI不等式
• 3.4 制导炸弹鲁棒末制导律设计
• 3.4.1 相对运动模型
• 3.4.2 落角约束问题
• 3.4.3 鲁棒末制导律设计
• 3.4.4 数值仿真及分析
• 3.5 复合制导律数值仿真
• 3.6 制导信息的获取方法
• 3.6.1 纵向制导信息
• 3.6.2 侧向制导信息
• 3.7 本章小结
• 4 制导炸弹鲁棒飞行控制系统设计与优化
• 4.1 制导炸弹鲁棒飞行控制系统性能描述
• 4.1.1 一般反馈系统的性质
• ∞标准控制问题'>4.1.2 H_∞标准控制问题
• 4.1.3 内部稳定性
• 4.1.4 混合灵敏度问题
• 4.2 滚转通道混合灵敏度鲁棒控制器设计
• 4.2.1 加权函数的选取原则
• 4.2.2 加权函数选取的一般过程
• 4.2.3 滚转通道混合灵敏度控制器设计及仿真
• 4.3 基于人工鱼群算法的制导炸弹鲁棒飞行控制系统优化设计
• 4.3.1 标准人工鱼群算法
• 4.3.2 改进的人工鱼群算法
• 4.3.3 制导炸弹鲁棒飞行控制系统优化设计
• 4.3.4 数值仿真及分析
• 4.4 本章小结
• 5 制导炸弹多目标鲁棒PID控制器优化设计
• 5.1 多目标优化问题
• 5.1.1 多目标优化问题模型
• 5.1.2 多目标优化问题的解
• 5.2 基于人工鱼群算法的制导炸弹多目标鲁棒PID控制器设计
• 5.2.1 测量元件的数学模型
• 5.2.2 飞行控制系统多目标性能分析
• 5.2.3 人工鱼群算法的多目标优化
• 5.2.4 多目标控制器参数优化
• 5.3 数值仿真及分析
• 5.4 本章小结
• 6 制导炸弹仿真试验研究
• 6.1 转台半实物仿真
• 6.1.1 系统组成和描述
• 6.1.2 舵分解与测量机构误差补偿
• 6.1.3 误差源分析与建模
• 6.1.4 正交试验
• 6.2 地面模拟轰炸跑车试验
• 6.3 挂飞试验
• 6.4 投弹试验
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录