基于直接侧向力/气动力复合控制的姿态控制律设计

论文摘要

本文以大气层内直接侧向力与气动力复合控制的鸭式布局防空导弹为研究对象,针对系统的非线性、通道耦合,基于动态逆控制方法,设计了复合控制律,以实现系统快速响应。对于侧向喷流带来的强扰动以及系统模型不确定性,通过干扰观测器进行观测补偿。本文具体进行了以下几方面的研究。首先,建立了导弹的数学模型。通过分析鸭式气动布局的特点,确定了侧喷发动机布局方式;在分析导弹受到的力和力矩的基础上,建立导弹动力学和运动学方程,进一步推导出系统非线性状态方程,并进行了分析简化。其次,基于非线性动态逆设计了姿态复合控制律。利用时标分离原理,将系统分离为慢变子系统和快变子系统,设计气动力动态逆控制律;分析直接侧向力对气动力控制系统的扰动效应,基于气动力非线性逆补偿,给出了解耦复合控制方法,实现了系统快速响应,并通过控制器切换,提高系统对稳态的收敛速度;利用混合控制思想,设计以期望控制力矩表示的动态逆控制律,并给出非线性力矩分配算法,将期望力矩分配给舵机和侧向喷流发动机组,实现系统快速响应。然后,通过非线性干扰观测器观测和补偿系统摄动,对一类系统干扰模型,推导了干扰观测器方程;构造一个具体形式的观测器用于观测复合系统的摄动;将观测结果用于系统摄动直接补偿。最后,进行了系统仿真和分析。建立了系统仿真模型,通过仿真实验,检验解耦控制和混合控制两种复合控制结构的控制效果,验证了干扰观测器摄动补偿下的系统稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 直接侧向力技术发展研究现状
• 1.2.1 直接侧向力技术的特点及应用
• 1.2.2 直接侧向力研究现状
• 1.2.3 直接侧向力姿态控制方法研究
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 复合控制系统数学模型
• 2.1 气动布局和外形特征
• 2.1.1 鸭式布局的特点
• 2.1.2 侧喷发动机布局和导弹外形特征
• 2.2 常用坐标系定义及相互转换
• 2.2.1 常用坐标系定义
• 2.2.2 各坐标系之间的关系及其转换
• 2.3 直气复合系统中的力和力矩
• 2.3.1 空气动力和空气动力矩
• 2.3.2 直接侧向力和力矩
• 2.4 非线性数学模型及其简化
• 2.4.1 导弹运动方程组
• 2.4.2 非线性状态方程及化简
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于非线性动态逆的复合控制律设计
• 3.1 非线性动态逆基本原理
• 3.1.1 逆系统理论的基本概念
• 3.1.2 逆系统的一般求解方法
• 3.1.3 输出反馈型动态逆控制方法
• 3.1.4 状态反馈型动态逆控制方法
• 3.2 动态逆控制器设计
• 3.2.1 时标分离
• 3.2.2 气动力动态逆控制器设计
• 3.3 直接力开启策略设计
• 3.3.1 解耦控制
• 3.3.2 混合控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于非线性干扰观测器的系统摄动补偿
• 4.1 非线性干扰观测器原理
• 4.2 摄动观测和补偿
• 4.2.1 系统摄动方程
• 4.2.2 观测器设计
• 4.2.3 补偿方式
• 4.3 本章小结
• 第5章 复合控制系统仿真及分析
• 5.1 仿真模型建立
• 5.1.1 导弹仿真模型
• 5.1.2 舵机和侧喷发动机
• 5.2 仿真结果及分析
• 5.2.1 解耦控制系统仿真
• 5.2.2 混合控制系统仿真
• 5.2.3 仿真结果分析
• 5.3 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