基于预测控制的大气层外KKV制导控制规律研究
高精度目标检测、快速响应的直接侧向力制导与控制技术，是动能拦截器实现对目标直接碰撞拦截的关键。由于采用成像导引头，弹-目相对距离、相对速度无法直接测量，只能利用导引头测量得到的角度信息对其进行估计，受到可观性的限制，估计精度有限，因此，必须设计对估计误差具有较好鲁棒性的导引律。此外，拦截器的姿态控制和轨道控制都是通过安装在弹体上脉冲发动机实现的，由于发动机只能提供常值推力，因此，设计控制律时必须考虑控制量的特点。已有研究结果表明，预测控制方法是解决控制受限问题最有效的方法，而且预测导引律对于大气层外拦截器来说也是一种性能优越的导引律，研究基于预测控制方法的制导控制问题具有重要的理论意义和实际工程价值。 本文针对大气层外拦截器的工作特点，对基于预测控制的开关式制导控制规律进行了研究。 首先，结合大气层外拦截器结构和执行机构特点，建立了拦截器制导和控制问题的数学描述。在姿态控制建模中考虑了轨控发动机安装的推力偏心和质心漂移引起的干扰力矩。根据捷联成像系统的工作原理，给出了制导控制需要的惯性视线转率和惯性视线角的提取算法，为制导控制规律设计及仿真研究奠定了基础。 其次，应用非线性系统可观性分析方法分析了弹-目相对距离的可观性，揭示了系统可观性矩阵奇异值与可观性之间的关系。结合被动测距的特点及末制导要求，提出了应用滚动时域滤波方法进行弹-目相对距离估计时误差界的计算方法，并对滤波器参数的选择方法进行了研究。 再次，对于开关控制输入线性系统，提出了一种鲁棒变时域预测控制方法，应用约束“紧缩”的方法，通过适当的调整约束集，在保证算法鲁棒性的同时，大大降低了算法的在线计算量，给出了开关控制量情况下，预测控制优化问题可行解的构造方法，并给出了系统状态进入给定目标集的最大步数。为了保证开关控制输入系统的稳定性，提出了鲁棒控制不变集的构造方法。考虑导引头视场约束条件下，应用提出的预测控制方法设计了开关式姿态控制律，解决了干扰力矩存在情况下目标脱离视场问题。 然后，对于开关控制输入不确定非线性系统，提出了一种基于Fliess函数展开的预测控制方法。应用非线性系统的Fliess函数展开方法，推导了系统输出预测值与系统当前时刻状态、不确定性以及开关控制输入之间的关系。在此基础上，通过选择二次型代价函数，给出了预测控制所对应优化问题的描述。考虑到有界不确定性情况，提出了一种应用非线性规划求解优化问题的方法，有效地解决了开关控制输入不确定非线性系统的设计问题。应用本文所提出的预测控制方法设计了开关式导引律。在开关式导引律设计过程中，考虑了弹-目相对距离的估计误差和导引头测量噪声，将其作为不确定性进行考虑，推导了所设计导引律对应的开关曲线，在此基础上，应用Lyapunov方法证明了末制导系统是有限时间稳定的。 最后，对某型大气层外拦截器制导控制规律设计进行了研究。根据给定的系统参数和指标要求，确定了控制设计时的一些主要参数。在此基础上，应用本文提出的方法设计了开关式姿态控制律和导引律，并对整个开关式制导控制系统的稳定性进行了分析。通过仿真分析，研究了推力偏心、质心漂移及各种测量噪声对系统的影响，仿真结果表明了本文所提出方法的有效性以及在减少发动机开关次数方面的优势。
预测控制;大气层外拦截器;制导控制;估计误差
哈尔滨工业大学
博士
控制科学与工程
姚郁
2009
中文
V448.2
142
2013-03-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）