低成本全捷联微型导弹制导控制技术研究

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为满足局部冲突、反恐作战等低烈度军事行动中对打击低价值、轻装甲目标并有效减小战斗部附带伤害的迫切现实需求,发展低成本全捷联微型导弹是目前精确制导武器的一个重要发展趋势。本文以低成本全捷联微型导弹为研究对象,针对全捷联制导体制中制导律严重依赖惯性制导信息、捷联导引头视场角约束以保证目标锁定、制导控制回路严重耦合、微型导弹姿态运动易受外界干扰等实际问题,深入研究了全捷联制导体制相关制导控制技术,主要研究内容和成果如下:提出了基于正切型障碍李亚普诺夫函数的视角约束制导律和基于对数型障碍李亚普诺夫函数的自适应视角约束制导律。针对捷联导引头视场角约束问题,从制导系统设计角度出发,将其建模为以弹目相对速度垂直于视线方向分量为受约束状态的非线性系统控制问题。针对这一部分状态受约束的非线性系统控制问题,基于障碍李亚普诺夫函数控制方法,分别提出了基于正切型障碍李亚普诺夫函数的视角约束制导律和基于对数型障碍李亚普诺夫函数的自适应视角约束制导律,并对整个闭环控制系统的稳定性以及受约束状态的有界性进行了严格证明,以保证满足捷联导引头视角约束。提出了基于增强扩张状态观测器的鲁棒过载控制器设计方法。针对基于扰动抑制的控制方法中观测补偿对象的确定问题,首次提出了“不利干扰”概念,并构造了一模拟被控系统期望稳态的参考模型对作用于被控系统的“不利干扰”进行有效区分,进而提出了一种新型的增强扩张状态观测器对其予以估计补偿。另一方面,对于基于扰动抑制的控制方法中等效输入扰动的存在性问题首次给出了严格理论证明,并通过引入等效输入扰动,使所提出的基于增强扩张状态观测器的控制方法进一步能够处理多源非匹配干扰,且可简便得直接确定干扰补偿增益为“-1”。基于上述方法,针对全捷联微型导弹姿态控制问题,提出了基于增强扩张状态观测器的鲁棒过载控制器设计方法。开展了闭环制导控制联合仿真。依据所提出的基于正切型和对数型障碍李亚普诺夫函数的视角约束制导律,以及基于增强扩张状态观测器的鲁棒过载控制器设计方法,对一纵平面全捷联微型导弹模型设计了制导、控制系统,并分别就打击地面固定目标、非机动移动目标、机动移动目标三种实际应用背景,进行了标况闭环制导控制系统联合仿真和考虑大气参数偏差、弹体结构参数偏差、气动系数偏差以及风干扰条件下的蒙特卡洛拉偏实验,对所设计的制导、控制系统性能进行了充分考核与验证。建立了以体视线角为受约束状态并考虑舵机饱和的精细化制导控制一体化设计模型。不同于常用制导控制一体化设计模型,该模型建模中考虑了重力作用和导弹速度变化,剔除了常用模型中为构建严格反馈系统而引入但实际不可测量的攻角信息,并采用弹载加速度计可直接、精确测量得到的弹体系过载替换了常用的简化线性气动力模型,以使得能够对于弹体所受除重力以外所有作用力精确予以描述。上述精细化的建模改进措施使得所提出的制导控制一体化模型适用范围不再仅局限于导弹气动力变化平缓的无动力飞行段,且精细化建模也将有助于基于其设计得到的制导控制一体化控制器实现更高的打击命中精度。提出了基于积分型障碍李亚普诺夫函数的视场角约束制导控制一体化设计方法和基于输出向输入饱和转换的视场角约束制导控制一体化设计方法。基于纯追踪制导律和平行接近制导律,所提出的两种视场角约束制导控制一体化方法有效解决全捷联微型导弹制导控制回路耦合问题,实现了在无需惯性制导信息的条件下导引导弹对目标实施精确打击。且基于障碍李亚普诺夫函数和输出向输入饱和转换技术的设计,也从理论上真正保证了体视线角的有界性,满足了全飞行弹道捷联导引头的视场角约束。此外,通过引入努斯鲍姆函数,所提出的两种视场角约束制导控制一体化方法能够有效避免舵面饱和问题的出现,同时对于控制指令起到了平滑滤波的作用,消除了制导控制一体化设计中采用符号函数所造成的高频抖振。论文对低成本全捷联微型导弹相关制导控制技术开展了较为系统地研究,其研究成果为导弹制导、控制系统设计提供了一定的理论技术支撑和工程技术储备,对于导弹视角约束制导律设计、鲁棒姿态控制律设计以及制导控制一体化设计方法研究具有重要的参考价值和研究意义。
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