拦截机动目标非线性制导律设计

论文摘要

现代战争中拦截高速大机动目标对战术导弹提出了新的挑战。为了提高导弹的机动作战能力,导弹需要大攻角飞行,以便充分利用导弹的机动过载。此外,导弹与目标相对运动的动力学和运动学模型是一个复杂的非线性模型,所以在拦截高速大机动目标时,采用基于古典控制理论设计的古典导引律和基于现代控制理论设计的现代制导律难以满足精确制导要求,面对新的挑战,必须寻求新的更为有效的制导律来满足现代战争防御的需要。因此,近年来许多智能控制理论和非线性理论都应用到导弹控制和制导律设计中。本论文针对拦截大机动目标,在深入研究模糊控制理论和反馈线性化理论的基础上,设计了几种新的非线性制导律。论文的主要研究成果如下:针对基于模糊规则的模糊制导律推理时间长、规则不容易确定的问题,将解析描述的模糊控制应用到制导律设计中,将制导问题转化为误差反馈控制问题,根据目标的加速度大小调整解析描述模糊规则中参数值大小,控制的目标是保证导弹-目标之间视线角速率最终收敛到零。为了提高解析描述模糊制导律对机动目标的适应性范围,设计一种自适应模糊制导律。选择误差与误差变化的组合构成变结构切换平面,并根据Lyapunov稳定理论设计参数自适应律,得到解析描述的自适应模糊制导律,因此导弹对目标机动有很强的自适应性。仿真结果表明,所提出的自适应模糊制导律可以有效地对付大机动目标,与一般比例导引律相比,脱靶量更小,拦截时间更短,得到较平直的弹道,工程实现较简单。设计一种基于T-S模型的状态反馈调节制导律和基于T-S模型的输出反馈鲁棒调节制导律。利用T-S模糊模型的非线性函数逼近能力,将导弹-目标的相对运动模型在采样时间内表示为各论域范围内线性模型的叠加。在每个线性模型内,应用状态反馈调节理论和误差反馈鲁棒调节理论设计控制器。整个模糊控制系统的稳定性是通过一组线性矩阵不等式的符号来判定,同时保证制导系统的跟踪误差有界。设计一种自适应反馈线性化制导律。反馈线性化的基本思想是先用代数变换将一个非线性系统的动态特性变换成线性的动态特性,再用线性控制理论进行设计。原有的反馈线性化制导律依赖于系统精确的数学模型,对建模误差敏感,因此设计了自适应反馈线性化制导律,将目标加速度的变化作为系统的扰动,为消除扰动保证视线角速率趋于零,应用Lyapunov稳定理论设计参数自适应律,所得到的三维空间制导律可以同时计算俯仰和偏航通道的导弹角加速度命令。设计一种拦截高速目标导引一体化制导律。首先,同时考虑目标的不确定性和控制回路的动态特性,建立制导和控制回路的四阶一体化状态方程。其次,通过坐标转换将状态方程转化为标准形式。进而,在标准状态方程形式下,设计自适应变结构制导律来补偿目标加速度和控制回路动态特性的不确定性。所提出的方法能有效解决拦截机动目标时,现有制导律存在的控制回路性能受限制的问题。最后,对全文的研究工作进行了总结,并展望了拦截机动目标非线性制导律进一步还要研究的课题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 导弹制导律的发展现状与趋势
• 1.2.1 经典导引律
• 1.2.2 现代制导律
• 1.2.3 非线性制导律
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 数学基础
• 2.1 引言
• 2.2 输出调节问题基本理论
• 2.1.1 线性系统输出调节问题
• 2.1.2 非线性系统输出调节问题
• 2.3 T-S模糊模型及线性矩阵不等式稳定判据
• 2.4 非线性系统的反馈线性化理论
• 2.4.1 微分几何理论基本概念
• 2.4.2 仿射非线性系统的线性化步骤
• 2.5 本章小结
• 第3章 自适应模糊制导律设计
• 3.1 引言
• 3.2 导弹-目标三维运动描述
• 3.3 解析描述的模糊末制导律
• 3.3.1 解析描述模糊末制导律原理
• 3.3.2 模糊制导律设计
• 3.3.3 数值仿真研究
• 3.4 自适应模糊制导律设计
• 3.4.1 自适应模糊制导律
• 3.4.2 数值仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于T-S模型的鲁棒调节制导律研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于T-S模型的状态反馈调节制导律
• 4.2.1 状态反馈调节理论
• 4.2.2 基于T-S模型的状态反馈调节器
• 4.2.3 基于T-S模型的状态反馈调节制导律设计
• 4.3 基于T-S模型的误差反馈鲁棒调节制导律
• 4.3.1 基于T-S模型的误差反馈鲁棒调节理论
• 4.3.2 数值仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 三维自适应反馈线性化制导律
• 5.1 引言
• 5.2 反馈线性化基础上的三维制导律设计
• 5.2.1 反馈线性化基础的制导律计算
• 5.2.2 基于LOS拦截时间计算
• 5.3 自适应反馈线性化制导律
• 5.3.1 不确定情况下导弹-目标数学模型
• 5.3.2 自适应反馈线性化制导律
• 5.3.3 自适应反馈控制参数收敛性
• 5.3.4 数值仿真研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 拦截机动目标制导与控制一体化设计
• 6.1 引言
• 6.2 制导与控制回路一体化模型
• 6.2.1 制导与控制回路一体化模型建立
• 6.2.2 制导与控制一体化系统状态变换
• 6.3 制导与控制一体化设计
• 6.4 数值仿真研究
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历