临近空间防御飞行器制导与控制问题研究

• 作 者: 商巍
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2017年01期
• 关键词: 临近空间 防御飞行器 直接力/气动力复合控制 空间机动控制 有限时间收敛控制 固定时间收敛滑模控制 扩张状态观测器(ESO) 模糊逼近 滑模制导律 协同制导律

临近空间高超声速飞行器作为近年来世界各国科技工作者关注的热点,发展极其迅速。对此,论文设计了一种采用直接力/气动力复合控制方法的临近空间防御飞行器。以空基发射的防御飞行器为研究对象,针对防御飞行器的制导与控制问题,着力于气动估计误差下的纵向控制、防御飞行器的空间机动控制、以高速机动飞行器为目标的制导律设计及多防御飞行器的协同制导设计等方面的研究。建立了临近空间防御飞行器的直接力/气动力复合控制模型。首先描述了临近空间防御飞行器飞行方案,给出了坐标系及相关运动参数;随后确定了防御飞行器的气动外形方案,建立了防御飞行器的空气动力学模型;最终完成了防御飞行器的直接力/气动力复合控制模型的建立。研究了临近空间防御飞行器直接力/气动力复合控制问题。针对存在气动估计误差的防御飞行器纵向平面控制问题,提出了一种基于有限时间收敛理论的直接力/气动力复合控制的设计方法,并且在设计过程中,使用扩张状态观测器(ESO)对干扰进行在线估计,并进行补偿,使控制系统具备足够的鲁棒性。此外,提出了一种直接力/气动力复合控制器的控制律设计与控制分配一体化设计策略,从数学理论上保证了系统的稳定性与鲁棒性。仿真结果表明,直接力/气动力复合控制器控制性能的优越性,同时验证了控制律设计与控制分配一体化设计策略的可行性。研究了临近空间防御飞行器空间机动的复合控制问题。基于控制律设计与控制分配一体化设计策略,设计了有限时间收敛的空间机动复合控制器,并且在设计过程中利用扩张状态观测器在线估计及干扰补偿的特性,抑制气动估计误差对系统稳定性的影响,保证了空间机动控制器的稳定性与鲁棒性,提高了控制性能。此外,由于有限时间收敛的收敛特性缺陷导致其收敛时间严重依赖系统的初始值,结合固定时间收敛理论,研究了收敛时间不依赖系统初值的固定时间收敛滑模控制方法,并基于此方法进行防御飞行器空间机动的复合控制器设计。数值仿真结果验证了所设计的空间机动复合控制器具有良好的控制性能,相比基于有限时间收敛理论设计的控制器,所设计的空间机动复合控制器收敛性能更好。以高速机动飞行器为目标,研究了临近空间防御飞行器的模糊逼近滑模制导律的设计问题。在采用传统的滑模变结构控制方法设计制导律时,制导律切换项系数的选取与目标运动信息有关,并且会关系到系统的稳定性,对于防御飞行器来说,目标运动信息的未知会使切换项系数选取困难,此外滑模制导律中的抖振现象也会影响制导律的制导性能。因此,文中使用导引头易获取的弹目距离信息及视线角速率信息进行模糊逼近策略的设计,对滑模变结构控制中变结构项进行估计和逼近,以实时连续信号替代离散信号,能有效地抑制制导律中的抖振现象,提高制导律的制导性能。最后,通过与传统滑模制导律对比,得到基于模糊逼近策略的滑模制导律具有良好的制导性能。为解决单枚防御飞行器拦截成功率低的问题,提出了一种以高速机动飞行器为目标的协同攻击制导律。首先在常规的滑模制导律设计中增加了对攻击时间的约束,然后,提出一种变系数的策略决定各约束的权重,使防御飞行器能够在期望的时间以小的脱靶量攻击到高速机动目标。最终通过数值仿真,验证了所设计的协同制导律能够满足设计要求。