基于自抗扰算法的飞行器制导与控制方法研究

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随着科学技术的发展进步以及各国处于国家安全战略的考虑,尖端武器的研究将越来越重要。精确打击会是未来战争的一大特征。精确制导武器作为精确打击的一个基本和必然的要素,在近些年获得了广泛的关注,各种各样的武器型号不断涌现。精确制导武器的核心技术是飞行器制导与控制系统,目前已经有很多针对该类技术的相关研究,也取得了丰硕的成果,但是仍然存在着诸多不足,以及一些尚未解决的问题。因此,本文基于自抗扰算法研究了飞行器的制导与控制问题。  第一,研究了考虑线性姿态模型的自抗扰控制策略下的两种参数整定方法。首先研究了基于静态输出反馈的特征结构配置参数整定,第二种方法研究了在预稳定度条件下,基于线性二次型调节的参数整定。最后,基于一种几何方法进行了闭环自抗扰姿态控制系统的鲁棒性分析。通过仿真验证了以上方法的有效性。  第二,针对飞控系统中姿态角速度不可测的问题,考虑飞行器的非线性动力学模型,设计了一种基于线性自抗扰控制算法的姿态预测控制策略。在该控制策略中,不需要任何与姿态角速度相关的信息,为角速度不可测情况下的飞控问题,提供了一种有效的解决策略。同时,该控制方法是一种全线性的控制方法,由扩张状态观测器对非线性模型进行动态补偿,使得广义预测控制器的设计过程并不依赖模型。并且,仅使用一套控制参数实现了在大空域飞行包络下的控制目标,避免了传统线性控制方法应用时所必须的增益调度策略。最后,设计的控制器分别结合线性与非线性模型进行仿真,结果验证了该方法的有效性。  第三,研究了考虑执行器约束下的姿态控制器设计问题。主要分为两部分,首先针对静不稳定飞行器,在分别考虑开环对象忽略和加入执行机构动态特性的两种情况下,从系统的时域响应分析了执行机构速率达到限幅值时,所允许的姿态角速度最大干扰值。第二部分,针对一类非线性纵向姿态控制模型,首先将控制速率约束纳入幅值约束,得到更接近于实际的动态控制幅值约束,然后在同时考虑约束和外扰的情况下,设计了基于自抗扰算法的自适应反步姿态控制策略,通过Lyapunov方法证明了闭环系统的一致最终有界稳定性。仿真结果验证了该控制策略的有效性。  第四,分别从拦截大机动目标和带有入射角约束有限时间收敛两个方面研究了制导律的设计问题。首先,设计了一种基于扩张状态观测器的高阶滑模制导律,通过观测器对目标机动进行估计,在滑模制导律中进行实时补偿,实现制导目标,通过Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性。此外,针对有限时间收敛问题,设计了一种带有入射角约束的有限时间收敛滑模制导律。对于制导指令需要视线角加速度信息的问题,以视线角速度为输入信号,采用跟踪微分器获取其微分信号,解决了视线角加速度不可测的问题。最后,通过仿真验证了以上两种制导律的有效性。  最后,针对飞控系统的执行机构---舵机系统的摩擦补偿控制问题,在不改变原有控制结构的基础上,设计了基于一种基于线性自抗扰算法的指令补偿器。该方法并不是直接对摩擦进行估计补偿,而是采用降阶扩张状态观测器估计摩擦对系统输出造成的影响,从而得到原比例-微分控制系统的伪参考指令,达到期望的舵机动态响应指标。基于时延容忍度和闭环系统极限环分析,对线性自抗扰的控制参数进行了整定。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。
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