基于滑模方法的高速飞行器制导与控制研究

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随着飞行器技术的发展与国防需求的提高,高速飞行器作为一种新式武器,得到了各个军事强国的密切关注。制导与姿态控制系统是高速飞行器控制系统的两个重要部分,高速飞行器飞行环境复杂,为了保证飞行器精确,可靠的完成任务,有必要对飞行器的制导律与姿态控制律展开深入的研究,本文以高速飞行器为研究对象,以滑模控制方法为主要研究方法,进行了以下几个方面的研究:首先引入描述飞行器运动的常用坐标系以及不同坐标系之间的转换关系,根据动力原理与运动学原理,对高速飞行器的姿态运动建立了非线性模型,为后续章节的研究打下基础。其次研究了基于滑模方法的制导律。首先针对传统滑模方法抖振的问题,提出一种基于粒子群算法的自适应滑模方法。为完成目标拦截任务,根据滑模方法设计具有攻击角度约束的制导律,并对设计的制导律进行了捕获能力分析,针对可能存在的脱靶的问题,根据脱靶条件对原制导律进行改进。通过数值试验证明了改进的制导律能够满足攻击角度约束并避免脱靶情况的发生。为满足攻击时间约束,在假设待飞时间估计准确的前提下,设计一种具有时间约束的滑模制导律,通过仿真证明提出的制导律能够完成多对一协同攻击的任务。接着为保证制导指令的实现,提出了基于自适应终端滑模的飞行器姿态控制律。根据多时间尺度原则,将飞行器的姿态控制分为两个回路,外回路为姿态角回路,内回路为姿态角速度回路,外回路产生虚拟角速度指令作为内回路的输入指令。使用终端滑模方法对两个回路分别设计姿态控制律,保证了系统的稳定,同时证明了设计的控制律是非奇异的。为提高系统的鲁棒性并减弱滑模控制器的抖振,设计了有限时间收敛的非线性干扰观测器对系统中的扰动进行观测,在控制律中使用干扰的估计值进行补偿。数值仿真结果了证明了存在扰动的情况下,干扰观测器能够对扰动进行准确的估计,飞行器在控制律作用下能够快速跟踪姿态角指令。然后,为了在减弱滑模控制器抖振的同时保证系统稳定性,设计了全阶滑模与高阶滑模相结合的姿态控制方法,将飞行器的姿态控制系统分为两个回路,外回路采用全阶滑模的方法设计滑模变量,利用一阶环节对信号进行滤波,以获得平缓的姿态角速度指令。内对路通过引入虚拟控制量,增加系统的相对阶,提出了一种准连续高阶滑模控制律。在参数不确定与外界扰动的情况下,使用提出的方法进行数值试验,证明算法具有较强的鲁棒性。最后,对本论文的工作进行了总结,并分析了在飞行器制导律与姿态控制律方面仍存在的问题,给出下一步研究的方向。
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