基于输出预测的直接侧向力姿态控制律设计

论文摘要

本文以大气层内的防空拦截导弹为对象,使用直接侧向力与气动力复合控制建立系统,并针对系统的非线性特性与快速响应等要求,采用预测控制方法,进行直接侧向力姿态控制律设计。具体完成了以下几方面的研究:首先,分析研究非线性预测控制方法。在介绍预测控制的基本原理和总结预测控制的三大本质特征的基础上,给出了预测控制一般的计算步骤;分析了非线性预测控制的研究方法,并详细讨论了基于特殊模型、神经网络和组合模型的非线性预测控制方法。其次,建立拦截弹数学模型。在分析了作用在导弹上的气动力与力矩、直接侧向力与力矩的基础上,对带有侧向喷流装置的拦截弹非线性数学描述进行了推导,从而建立导弹的非线性模型。然后,设计直接侧向力姿态控制律。针对制导末段过载指令幅值大、调节时间短的情况,对复合控制方式进行了分析,设计复合控制策略,就各段对直接侧向力控制律和气动力控制律以进行了设计;利用基于输出预测控制方法,对单通道系统和存在自旋的双通道系统的姿控发动机控制律进行设计。最后,进行了系统仿真和分析。为证明设计方法的有效性,针对所设计的气动力、直接侧向力控制律,在Matlab下建立了设计程序,并进行了仿真验证。仿真结果表明,在传统防空导弹的基础上,增加侧向喷流发动机装置,可以有效提高导弹的响应速度,从而提高导弹的机动性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 直接侧向力与气动力复合控制问题
• 1.3 直接侧向力技术发展研究现状
• 1.3.1 姿控方式
• 1.3.2 轨控方式
• 1.3.3 姿轨控方式
• 1.4 直接侧向力姿态控制方法研究
• 1.4.1 反馈线性化方法
• 1.4.2 非线性动态逆控制方法
• 1.4.3 滑模变结构控制方法
• 1.4.4 增益调度方法
• 1.4.5 预测控制方法
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 预测控制理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 预测控制基本原理
• 2.3 非线性预测控制研究方法
• 2.3.1 线性化方法
• 2.3.2 基于特殊模型的NMPC
• 2.3.3 基于神经网络模型的NMPC
• 2.3.4 基于组合模型的NMPC
• 2.4 本章小结
• 第3章 复合控制系统数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 拦截导弹气动布局和外形特征
• 3.3 常用坐标系及相互转换
• 3.3.1 常用坐标系的定义
• 3.3.2 各坐标系之间的关系及其转换
• 3.4 作用在导弹上的力和力矩
• 3.4.1 空气动力
• 3.4.2 空气动力矩
• 3.4.3 直接侧向力和力矩
• 3.5 带有侧喷的导弹模型的建立
• 3.5.1 导弹运动方程组
• 3.5.2 复合控制导弹模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于预测控制的直接侧向力姿态控制律设计
• 4.1 引言
• 4.2 基于输出预测控制律设计
• 4.3 单通道系统发动机开关律设计
• 4.3.1 仿射非线性系统的建立
• 4.3.2 姿态控制律的优化设计
• 4.4 双通道系统发动机开关律设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统仿真及分析
• 5.1 仿真算法
• 5.2 仿真模型建立
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.3.1 气动力单独控制系统仿真
• 5.3.2 单通道控制系统仿真
• 5.3.3 双通道控制系统仿真
• 5.3.4 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢