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基于预测控制的大气层外KKV制导控制规律研究

作　者: 杨宝庆
导　师: 姚郁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 模型预测控制姿态控制导引律视线转率开关曲线可观性
分类号: V448.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-14
第1章绪论  14-26
  1.1 课题背景  14-16
  1.2 国内外研究现状及分析  16-24
    1.2.1 开关式姿态控制律和导引律  16-19
    1.2.2 模型预测控制方法  19-22
    1.2.3 存在的主要问题  22-24
  1.3 论文主要研究内容及章节安排  24-26
第2章开关式制导控制问题的描述  26-40
  2.1 引言  26
  2.2 坐标系的定义及其转化关系  26-30
    2.2.1 坐标系的定义  26-27
    2.2.2 坐标系间的转化关系  27-30
  2.3 开关式姿态控制问题的描述  30-33
    2.3.1 刚体姿态运动模型  30-31
    2.3.2 考虑不确定性的姿态运动模型  31-33
  2.4 开关式制导问题的描述  33-37
    2.4.1 地球引力及拦截器质量变化  34
    2.4.2 弹-目相对运动方程  34-36
    2.4.3 惯性视线转率的提取  36-37
  2.5 开关式制导控制中存在的问题分析  37-39
    2.5.1 开关式姿态控制中存在的问题分析  38
    2.5.2 开关式制导中存在的问题分析  38-39
  2.6 本章小结  39-40
第3章弹-目相对距离估计的滚动时域滤波方法  40-63
  3.1 引言  40-41
  3.2 滚动时域滤波算法及其性能分析  41-45
    3.2.1 滚动时域滤波算法  41-43
    3.2.2 滚动时域滤波算法性能分析  43-45
  3.3 弹-目相对距离的可观性分析  45-53
    3.3.1 弹-目相对距离估计模型及其可观性矩阵  45-48
    3.3.2 基于奇异值分解的弹-目相对距离可观性分析  48-50
    3.3.3 机动对弹-目相对距离可观性的影响分析  50-53
  3.4 基于滚动时域滤波的弹-目相对距离估计  53-58
    3.4.1 弹-目相对距离估计的滚动时域滤波算法  54-55
    3.4.2 滤波器参数的选择  55
    3.4.3 弹-目相对距离估计误差界的计算方法  55-58
  3.5 仿真比较分析  58-62
    3.5.1 滤波器参数对滤波性能的影响分析  58-60
    3.5.2 与已有方法的比较  60-62
  3.6 本章小结  62-63
第4章基于鲁棒模型预测控制的开关式姿态控制设计方法  63-85
  4.1 引言  63-64
  4.2 鲁棒模型预测控制  64-66
    4.2.1 模型预测控制中的最优控制问题  64-65
    4.2.2 Min-Max模型预测控制  65-66
  4.3 开关控制输入线性系统预测控制方法  66-74
    4.3.1 开关控制输入系统预测控制的优化问题  66-67
    4.3.2 鲁棒变时域预测控制  67-72
    4.3.3 开关控制输入系统鲁棒控制不变集的构造方法  72-74
  4.4 基于预测控制的开关式姿态控制律设计  74-82
    4.4.1 约束的处理  74-76
    4.4.2 开关式姿态控制律对应的优化问题  76-77
    4.4.3 预测步长的选择  77-78
    4.4.4 姿态控制中的鲁棒控制不变集  78-81
    4.4.5 开关式姿态控制律设计  81-82
  4.5 仿真分析  82-83
  4.6 本章小结  83-85
第5章基于非线性预测控制的开关式导引律设计方法  85-106
  5.1 引言  85-86
  5.2 非线性系统有限时间稳定  86-87
  5.3 开关控制输入不确定非线性系统预测控制  87-93
    5.3.1 开关控制输入系统Fliess函数展开  87-90
    5.3.2 基于Fliess函数展开的非线性系统预测控制  90-93
  5.4 基于预测控制的开关式导引律设计  93-96
    5.4.1 基于Fliess函数展开的视线转率描述  93-95
    5.4.2 开关式导引律设计  95-96
  5.5 开关式制导系统有限时间稳定性分析  96-102
    5.5.1 理想情况下制导系统稳定性分析  96-99
    5.5.2 考虑测量噪声和估计误差情况下制导系统稳定性分析  99-102
  5.6 仿真分析  102-105
  5.7 本章小结  105-106
第6章某型大气层外拦截器制导控制规律设计  106-125
  6.1 引言  106
  6.2 系统参数与指标要求  106-108
  6.3 开关式姿态控制律设计  108-111
    6.3.1 干扰力矩幅值的确定  108-109
    6.3.2 约束集的确定  109-110
    6.3.3 姿态控制律设计  110-111
  6.4 开关式导引律设计  111-113
    6.4.1 加权系数及不确定参数界的确定  111-112
    6.4.2 开关式导引律设计  112-113
  6.5 开关式制导控制系统稳定性分析  113-114
  6.6 仿真分析  114-123
    6.6.1 质心漂移和推力偏心对姿态控制的影响分析  115-118
    6.6.2 影响视线角和视线角速度提取精度的因素分析  118-120
    6.6.3 与已有方法的比较  120-123
  6.7 本章小结  123-125
结论  125-127
参考文献  127-136
攻读博士学位期间发表的学术论文  136-139
致谢  139-140
个人简历  140

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