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基于扩张状态观测器的制导控制方法研究

作　者: 张晓燕
导　师: 马萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 制导 姿态控制 扩张状态观测器 最优制导 角度约束
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着科学技术的进步，在现代战争中，已大规模使用高科技武器。要打赢一场现代化战争，以精确制导武器为核心的高科技武器装备是必不可少的。在现代复杂的作战环境下，飞行器在飞行过程中不可避免的受到各种干扰和不确定因素的影响，需要发展能够抑制或消除这种不确定性影响的制导控制方法。因此，本文针对飞行器的末制导过程，提出了基于扩张状态观测器(ExtendedState Observer, ESO)的飞行器制导控制律设计方法。首先，分析了飞行器受到的力和力矩，建立了飞行器的制导控制数学模型，并给出了适合于制导律设计的飞行器目标相对运动模型，同时给出了导航计算模型和辅助计算模型，为后续研究奠定基础。其次，提出了基于非奇异终端滑模控制的有限时间收敛ESO (Finite-timeConvergence Extended State Observer, FCESO)，并给出了ESO有限时间收敛特性的证明，为ESO的设计提供了一种新方法。基于FCESO对制导系统的不确定性进行观测，并予以实时补偿。结合带终端角度约束的最优末制导律设计方法，提出了基于FCESO的制导律设计方法。仿真结果表明，该制导律能够保证飞行器在外界干扰和目标机动的情况下具有较好的动态特性和鲁棒性。再次，在一定的假设条件下对姿态控制律设计模型进行简化，将其描述为以姿态角速度、滚转角和过载为系统状态量的状态空间方程。针对该简化模型，应用实时补偿的方法，基于ESO和非线性误差反馈结构，设计了俯仰偏航通道姿态角速度反馈内回路和过载反馈外回路控制律，以及滚转通道双回路姿态控制律。通过数值仿真验证了所设计的姿态控制器的有效性，并且对制导指令具有很好的跟踪效果。最后，综合本文提出的制导控制方法，将其应用在飞行器的末制导过程中进行仿真实验，分别给出了飞行器在标称情况、有风干扰的情况、目标移动的情况以及综合情况下的仿真结果。分析表明，在各组设定情况下，飞行器在本文设计的制导控制律作用下均能满足落点和落角要求，并且具有很好的动态品质，对干扰和不确定性的抑制能力较强。本文考虑了飞行器实际飞行过程中受到的不确定性及干扰的影响，因而，所提出的基于ESO的制导控制方法对实际的工程应用具有一定的指导意义。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 制导律设计方法研究现状  10-11
    1.2.2 姿态控制方法研究现状  11-12
  1.3 基于ESO的制导控制律设计问题  12-13
  1.4 本文的主要研究内容  13-15
第2章 飞行器制导控制数学模型  15-26
  2.1 坐标系定义及转换关系  15-18
    2.1.1 坐标系定义  15-16
    2.1.2 坐标转换关系矩阵  16-18
  2.2 飞行器运动模型  18-22
    2.2.1 飞行器质心运动的动力学模型  18-20
    2.2.2 飞行器质心运动的运动学模型  20
    2.2.3 飞行器绕质心转动的动力学模型  20-21
    2.2.4 飞行器绕质心转动的运动学模型  21
    2.2.5 辅助计算模型  21-22
  2.3 飞行器与目标的相对运动模型  22-25
    2.3.1 俯冲平面内飞行器相对目标的运动模型  23
    2.3.2 转弯平面内飞行器相对目标的运动模型  23-24
    2.3.3 导航计算模型  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章 基于有限时间收敛ESO的最优制导方法  26-41
  3.1 有限时间收敛ESO  26-31
    3.1.1 Fal函数的反馈滤波特性  26-27
    3.1.2 有限时间收敛ESO  27-31
  3.2 基于有限时间收敛ESO的最优制导律  31-36
    3.2.1 带角度约束的最优制导律  31-32
    3.2.2 俯冲平面内基于有限时间收敛ESO的最优制导律  32-33
    3.2.3 转弯平面内基于有限时间收敛ESO的最优制导律  33-35
    3.2.4 过载指令计算  35-36
  3.3 理论及数值仿真分析  36-40
    3.3.1 理论分析  36-37
    3.3.2 数值仿真分析  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 基于ESO的姿态控制方法  41-54
  4.1 姿态控制律设计模型  41-44
  4.2 基于ESO的姿态控制方法  44-50
    4.2.1 双回路飞行器姿态控制律方案  44-45
    4.2.2 基于ESO的俯仰偏航通道控制律  45-48
    4.2.3 基于ESO的滚转通道控制律  48-50
  4.3 数值仿真分析  50-52
  4.4 本章小结  52-54
第五章 基于ESO的制导控制方法仿真及分析  54-64
  5.1 飞行器末段制导控制仿真流程  54-55
  5.2 飞行器末段制导控制仿真结果与分析  55-63
    5.2.1 初始条件设置  55
    5.2.2 标称情况下的末段制导控制仿真  55-57
    5.2.3 有风干扰时的末段制导控制仿真  57-60
    5.2.4 攻击移动目标时的制导控制仿真  60-62
    5.2.5 综合情况下的制导控制仿真  62-63
  5.3 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-70
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  70-72
致谢  72

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航
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