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导弹是一种防御和攻击的精确制导武器,在高技术战场中起着不可替代的作用,并不断地影响现代先进技术的发展。导弹制导控制系统是导弹的中枢,而导弹的末制导导引律是导弹制导控制系统的关键技术之一。随着测量技术和现代控制理论的发展,越来越多的先进控制算法应用到导引律的设计之中,理论上使得精确打击、命中精度等能力得到提升。论文首先介绍了导弹飞行力学的基本知识和导引律的研究现状,随后介绍back-stepping理论、扰动观测器和自抗扰控制技术理论及其在导引律设计中的应用。本文主要工作包括基于back-stepping及扰动观测器的平面导引律设计、三维导引律设计和基于back-stepping及自抗扰控制技术的平面导引律设计、三维导引律设计,并分别进行了仿真研究。
传统的比例导引律在目标做非机动飞行且忽略自动驾驶仪动态的情况下制导性能很好,但实际中自动驾驶仪对制导指令是有动态响应过程的,比例导引律在目标做机动飞行情况下制导精度很难满足要求。本文针对目标机动的情况,考虑自动驾驶仪动态特性,提出了两种基于扰动估计技术及back-stepping设计思想的导引律设计方案。两种方案均采用back-stepping的设计思想,将包含驾驶仪动态特性的制导环路分为外环和内环两个环路。
方案一采用扰动观测器技术,将外环非线性项、目标机动作为一个整体当成外环扰动,设计外环扰动观测器估计此扰动,用估计值在外环控制器中做前馈补偿;将自动驾驶仪参数不确定项及外环虚拟控制的微分项作为一个整体当成内环扰动,设计内环扰动观测器估计此扰动,用估计值在内环控制器中做前馈补偿;推广到三维导引律的设计时,在设计其中某一个平面的导引律时,将来自另一个平面的交叉耦合项也当成外环扰动的一部分,通过在外环控制器中对此扰动做补偿来实现两个平面的解耦控制。
方案二采用扩张状态观测器技术,利用扩张状态观测器估计出的状态,将外环的非线性项在外环控制器中做前馈补偿,外环扩张状态观测器跟踪的即是目标机动值,内环扩张状态观测器跟踪驾驶仪参数的不确定项。推广到三维导引律的设计时,在设计其中某一个平面的导引律时,利用扩张状态观测器估计的状态,在外环控制器中对耦合项做前馈补偿,从而实现两个平面的解耦控制。
两种方案导引律的设计均在于使得导弹的实际输出加速度跟踪上外环的虚拟控制。由于两个方案中均有对目标机动和驾驶仪参数不确定的前馈补偿项,因此,它们都能很好地抑制目标机动及驾驶仪参数不确定对制导精度的影响。仿真结果表明,在目标做大机动、考虑驾驶仪动态特性的情况下,这两种方案的导引律都具有良好的制导精度。