直接力/气动力复合控制巡航导弹滑模变结构控制研究

论文摘要

巡航导弹作为战术导弹中的重要组成成员,在当今作战环境日益复杂的情况下也面临很多新的挑战。如何扩大飞行空域、提高机动性,以适应作战目标的新特点;如何实现隐匿弹道、规避突防、提高自身生存能力;如何节省发动机燃料、增加有效载荷、扩大作战半径从而提高导弹整体性能。这些都成为当今研发巡航导弹所面临的新课题。正是在这种背景下,提出采用直接力/气动力复合控制方法。本论文则是以此为背景,针对直接力/气动力复合控制巡航导弹的滑模变结构控制,给出了相应的理论结果,主要内容包括:针对直接力控制力矩与气动力控制力矩的作用效果,从原理上及数学仿真上进行了分析与验证。在此基础上,提出了指令分解控制策略。该策略以气动力控制方式为主,在低空空气密度较大的情况下,采用单一的气动力控制方式。随着飞行高度的增加,当俯仰舵提供的气动力矩不足以维持弹体平衡时,启动发动机推力控制方式,提供相应的直接力补偿。这种控制方案把两种控制变量的协调控制问题简化为单控制变量的控制问题,具有简单易行的特点,便于工程应用。在该策略的基础上,给出了直接力控制的间接设计方法。利用这种间接设计方法,可以使得像对常规巡航导弹那样对直接力/气动力复合控制巡航导弹进行分析与设计。提出一种线性多滑模递推的变结构控制律设计方法。该方法是在滑模变结构的目标滑模面之外设计多个过渡滑模面,从而使得系统由趋近运动阶段到滑动模态的切入更加平缓。由于随着飞行高度的增加、空气密度的下降会使得气动效能变差,如果采用单滑模面的变结构控制律进行控制,则执行机构会过早的出现饱和。而本文提出的线性多滑模递推的变结构控制律设计方法可以使得该问题得以解决。提出一种基于控制参数化提升技术的滑模变结构控制律设计方法。为了使得实际过载信号能够尽快地跟踪指令过载、提高导弹响应速度,将滑模变结构的趋近运动阶段拆分为三个子阶段:加速趋近阶段;速度保持阶段;减速缓冲阶段。这种拆分方法一方面使得系统尽快达到滑动模态运动,另一方面避免了在滑模变结构的趋近运动向滑动模态过渡时带来的执行机构饱和问题。但是,这种拆分同时也将原系统化为了切换时间并不确定的切换系统。对于这种切换时间不确定的切换系统最优控制问题,很难直接利用现有的优化手段求解。为此,本论文采用控制参数化提升技术,利用时间缩放转变将变化的切换时间点转化为固定的时间点,从而,将导弹滑模变结构趋近运动阶段的控制律设计问题转化为标准的最优参数选择问题,使得问题得到解决。针对导弹大空域机动时数学模型的特点,通过合理设计滑动模态方程,将导弹空间机动所带来的弹道倾角不确定性转化为对系统矩阵的参数摄动,从而利用滑模变结构控制律对系统矩阵的摄动不变性,使得系统性能得到保证。针对滑模变结构控制律的滑模参数,给出了增益调度设计方法。该方法首先按照模糊控制律的设计规则,根据不同的系统状态,相应调整滑模变结构控制律的滑模参数。然后在模糊控制律的特性函数中提取特征点组成特征点集,在特征点集上进行插值处理,从而得到滑模参数的增益规则。利用阿依捷尔曼稳定性分析方法,证明了控制律的稳定性。该控制律使得系统既具有较快的响应速度,同时不至于带来无法消除的抖振。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 直接力
• 1.3 直接力
• 1.3.1 现代制导与控制方法概述
• 1.3.2 变结构控制在导弹中的应用
• 1.3.3 增益调度控制在导弹中的应用
• 1.4 论文中常用的一些符号说明
• 1.5 论文的主要内容
• 第2章 导弹飞行运动数学模型及预备知识
• 2.1 引言
• 2.2 导弹飞行过程中的常用坐标系及其转换关系
• 2.2.1 坐标系的定义
• 2.2.2 坐标变换的一般理论
• 2.2.3 各坐标系之间转换关系
• 2.3 导弹飞行运动数学模型
• 2.3.1 动力学定理及导弹飞行受力分析
• 2.3.2 导弹运动方程组
• 2.4 滑模变结构控制理论
• 2.4.1 滑模变结构控制理论基本原理
• 2.4.2 滑模变结构控制律设计
• 2.4.3 系统抖振的消除
• 2.5 本章小结
• 第3章 直接力/气动力复合控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 直接力控制力矩与气动力控制力矩分析论证
• 3.2.1 直接力控制所产生的力矩
• 3.2.2 气动力控制所产生的力矩
• 3.3 直接力控制与气动力控制仿真验证
• 3.3.1 在高空巡航过程中仿真结果
• 3.3.2 在低空巡航过程中仿真结果
• 3.4 直接力
• 3.4.1 过载控制分析及选定
• 3.4.2 指令分解复合控制
• 3.5 直接力控制的间接设计方法
• 3.5.1 直接力与气动力之间转换关系
• 3.5.2 直接力控制间接设计的可行性论证
• 3.6 本章小结
• 第4章 线性递推滑模变结构控制律设计
• 4.1 引言
• 4.2 模型转换及控制律形式
• 4.2.1 扰动运动方程组的矩阵表达
• 4.2.2 控制律形式
• 4.3 控制律参数特性分析
• 4.3.1 滑动模态阶段的参数特性
• 4.3.2 趋近运动阶段的参数特性
• 4.4 线性递推滑模变结构控制律设计
• 4.4.1 滑模参数递推求解过程
• 4.4.2 系统稳定性分析
• 4.4.3 滑模面的抖振消除
• 4.5 仿真结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于控制参数化提升技术的滑模变结构控制律设计
• 5.1 引言
• 5.2 控制参数化提升技术
• 5.2.1 控制参数化提升技术的思想来源
• 5.2.2 控制参数化提升后的等价问题
• 5.3 滑模变结构控制趋近运动阶段的拆分
• 5.3.1 趋近运动阶段拆分的目的
• 5.3.2 趋近运动阶段拆分后的问题描述
• 5.4 控制参数化提升后的滑模变结构控制律求解
• 5.4.1 趋近运动阶段拆分后的等价问题
• 5.4.2 控制参数化提升后的滑模变结构控制律
• 5.5 仿真结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于增益调度的滑模变结构控制律设计
• 6.1 引言
• 6.2 导弹大空域变轨时的滑模变结构控制律设计
• 6.2.1 导弹大空域变轨时模型提取分析
• 6.2.2 滑动模态内对系统矩阵的摄动不变性
• 6.2.3 干扰力矩对系统的影响
• 6.3 滑模参数的增益调度设计
• 6.3.1 阿依捷尔曼稳定性分析
• 6.3.2 基于模糊控制理论的滑模参数调节
• 6.3.3 滑模参数的增益调度设计
• 6.4 仿真结果
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历