直接力/气动力拦截弹复合逻辑与复合控制系统设计

以大气层内拦截弹直接侧向力和气动力的复合控制系统为研究对象,首先设计了轨控复合控制逻辑,然后建立了复合控制模型,并将复合系统分解为直接侧向力子系统和气动力子系统,用经典控制理论设计了气动力子系统,用模糊控制理论设计了直接力子系统。仿真结果表明:所设计的复合控制逻辑合理;基于模糊逻辑的直接力子系统可有效避免点燃发动机数量过多而需要反向点火情况的发生;与气动力系统相比,复合控制系统性能有较大提高。     

直接侧向力/气动力复合控制系统的特征参数

为考察在大气层内拦截弹上应用直接侧向力与气动力复合控制同应用纯气动力控制的本质区别,依据连续系统跟踪性能极限的研究成果,提出以复合控制对象的非最小相位零点作为描述复合控制系统性能的特征参数。气动力回路控制对象含有一个离虚轴较近的非最小相位零点;而通过合理设计气动力控制器,直接侧向力控制对象只包含一个离虚轴较远的非最小相位零点,复合控制系统的跟踪性能可望比纯气动力的更好。设计实例对此进行了分析,揭示了非最小相位零点在控制器设计中的重要作用。     

直接力与气动力复合控制拦截弹建模与控制

建立了大气层内直接力与气动力复合控制拦截弹的姿态运动模型,应用混杂自动机建立了拦截弹的切换模型,给出了控制系统的切换规律和直接力的控制规律。该方法反映了拦截弹在不同状态间的切换,便于拦截弹的控制,易于工程实现。仿真结果表明,该方法能够在节省使用脉冲发动机的情况下有效的实现拦截弹的姿态调整,显示了该方法的有效性和优越性。     

临近空间拦截弹的非奇异终端滑模控制

针对临近空间直接力/气动力复合控制拦截弹的抗干扰控制问题,提出了一种基于有限时间干扰观测器(FTDO)的非奇异终端滑模(NTSM)复合跟踪控制策略。首先,设计FTDO估计系统的不匹配干扰;在此基础上,设计基于FTDO的NTSM复合控制律,获取期望的控制力矩。接着,考虑到作为执行机构的气动舵和反作用喷气装置存在冗余性,进一步提出了一种动态控制分配算法实现期望控制指令到执行机构的分配,获得良好的控制分配精度和较小的执行机构能耗。最后,仿真结果验证了所设计复合控制系统的有效性。     

考虑复合控制系统动态特性的前向拦截制导律

为满足临近空间拦截高速大机动目标的实际需求,研究了考虑直接力/气动力复合控制动态特性的前向拦截制导律设计方法。在考虑连续气动力和离散直接力特点的基础上,给出了一种在气动舵控制基础上设计连续直接力、然后通过冲量等效法进行离散化的直接力设计方法,避免了复杂的控制分配问题。根据二维前向拦截导引运动学模型和拦截导弹动力学模型,利用时间尺度分离,将拦截导弹和目标的质点运动学与加速度慢变子系统构成的动态系统,看成慢变子系统,设计了俯仰角速度指令;将俯仰角速度动态子系统看成快变子系统,通过对俯仰角速度指令的跟踪控制设计得到考虑复合控制系统动态特性的前向拦截导引律。仿真结果校验了本文方法的正确性和有效性。     

延迟对拦截弹制导精度的影响

针对拦截弹在末制导段拦截战术弹道导弹(TBM)，本文分析了拦截弹制导控制系统中存在的导引头信息处理延迟、制导控制指令延迟和执行机构响应延迟对制导精度的影响。在拦截弹弹道修正和姿态控制规律的基础上，考虑拦截弹与TBM的初始位置偏差、导引头测量误差和弹道控制执行机构推力偏差，完成了不同制导控制延迟条件下拦截弹拦截TBM制导精度的六自由度Monte-Carlo仿真计算。根据对仿真结果的分析，最后给出了拦截弹拦截TBM目标的制导精度与制导控制延迟之间的约束关系。     

基于滑模反演控制方法的纵向制导控制一体化设计

针对高速机动目标的末端拦截问题,研究了拦截弹的制导控制一体化设计算法。首先建立了纵向通道的制导控制一体化模型,利用非线性状态变换将其转换为易于控制算法设计的标准形式,并将目标机动干扰从不确定项中分离出来。然后考虑系统的非匹配不确定性,将滑模控制与反演控制相结合,设计了拦截弹的一体化控制算法。仿真结果验证了所设计算法的有效性和鲁棒性。     

导弹直接侧向力机动突防方案设计

针对敌方不同来袭方位的拦截弹,提出了一种可用于导弹末段侧向力机动的突防方案。在建立拦截弹和导弹的相对运动模型基础上给出了脱靶量与视线转率、相对距离和机动加速度的解析表达式。以拦截弹在视线系Z向上的脱靶量达到最大值作为性能指标,对机动发动机开启时刻进行优化确定。同时通过分析机动发动机与Y向舵偏的不同组合方式对导弹的速度增量及交会角的影响,确定机动发动机的推力方向应与气动力方向一致,并使交会角明显减小。仿真结果表明,此方案能使导弹最终落入拦截弹杀伤半径10 m之外,成功实现突防。     

三体追逃攻防博弈分析与新型拦截制导律研究

研究分析了拦截弹、防卫弹和进攻弹的三体攻防博弈对抗问题。进攻弹相对拦截弹实施最优躲避,拦截弹相对进攻弹实施最优追踪,防卫弹相对于拦截弹实施最优追踪。针对不同作战场景,研究分析了拦截弹赢得三体攻防博弈的特定条件与区域。在特定场景下,拦截弹在命中进攻弹之前会被防卫弹拦截,无法仅通过应用最优追踪制导律完成攻防博弈任务。针对此场景,提出一种新型制导律,在拦截弹与防卫弹作战时间内,拦截弹相对于防卫弹执行躲避机动,同时保证相对于进攻弹的零控脱靶量最小。在对抗完成之后,拦截弹相对于进攻弹实施最优追踪制导,赢得三体攻防博弈。最后,多组仿真验证了本文分析得到的条件与结论,以及新型制导律的有效性。     

质量矩拦截弹的模糊滑模姿态控制系统设计

质量矩控制是一种全新的飞行控制方法，与广泛应用的空气动力控制相比，可以避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题，而且可以提高飞行器的机动性和敏捷性。以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，通过对模型合理的简化，得到一个耦合的非线性动力学系统，考虑到系统的鲁棒性要求和三个滑块的协调控制问题，利用滑模控制设计了拦截弹大机动飞行时的姿态控制系统，同时采用模糊逻辑算法抑制系统的抖振现象。仿真结果表明系统性能指标满足设计要求，只需微调滑块位置，即可以实现拦截弹的姿态控制。     

反作用控制系统在RLV再入复合控制中的研究

以再入段的可重复使用飞行器(RLV)控制系统为研究对象,针对RLV再入姿态的气动舵面与反作用力控制系统的特点,提出优化控制选择配置算法把控制力矩指令配置为末端执行机构指令,分别由气动舵面与反作用力控制系统执行。仿真结果表明,该复合控制方法可以弥补某些情况下气动舵面控制的不足,能很好地实现RLV姿态控制,并具有更好的动态性能。     

基于模糊控制的拦截弹姿态控制器设计方法研究

针对大气层内拦截弹这一非线性、强耦合、时变系统及姿控发动机的非 线性特性,给出一种基于模糊控制的拦截弹姿态控制器设计的新方法。文中给 出该控制器的结构、具体设计过程和相关参数的确定方法。不同初值和不同扰 动情况下的数字仿真结果表明采用该方法设计的控制器具有鲁棒性好、结构简 单、易于工程实现等特点。     

导弹复合控制系统的多目标优化设计

建立了具有气动力/直接侧向力混合控制的导弹动力学模型,采用反馈加前馈控制结构,设计了导弹复合控制系统,实现了气动力/直接侧向力的解耦控制。建立了导弹复合控制系统性能代价函数,并采用进化策略实现了复合控制系统参数的多目标优化。仿真结果表明:进化策略收敛速度快,优化以后的导弹复合控制系统具有很好的快速大机动跟踪能力,且直接力控制有效补偿了气动面控制效益低下和非最小相位系统造成的响应延迟。     

导弹直接侧向力与气动力复合控制设计与实现

针对带有姿控式直接侧向力/气动力复合控制系统导弹的控制律设计问题,建立了俯仰平面内姿态控制系统的数学模型,应用非线性系统理论对模型进行了分析,在此基础上建立了进行控制系统设计的简化模型。基于滑模变结构控制理论进行了复合控制律设计,并分别考虑气动力控制和直接侧向力控制的特点对所设计的控制律进行了实现。所设计的复合控制系统在进行快速攻角指令跟踪的同时,可以有效节省姿控发动机的使用数量。仿真结果说明了所提出方法的有效性。
     

基于反馈线性化的动能拦截器姿态控制研究

动能拦截器进入末制导阶段时经常需要进行大角度姿态机动,这时拦截器姿态控制系统具有非线性、强耦合、多输入多数出(MIMO)的特点。现针对动能拦截器模型的非线性和不确定性,提出PID神经网络自适应逆控制方法对拦截器飞行姿态进行控制。首先基于精确反馈线性化方法将系统解耦成三个独立的子系统,然后应用基于PID神经网络的自适应逆控制方法分别设计每个子系统的姿态控制器。该方法将PID神经网络控制与自适应逆控制相结合,对于拦截器姿态控制系统中的建模误差以及外部干扰具有较强的适应能力。仿真结果证明了该方法的有效性。     

导弹滑模抗干扰自动驾驶仪设计

针对拦截弹的抗干扰控制问题，设计了一种基于扩张状态观测器和快速滑模控制的三通道自动驾驶仪。首先建立考虑有界未知不确定性和外界干扰的拦截弹系统模型，构建扩张状态观测器对有界未知不确定性和外界干扰进行估计；在此基础上，根据自动驾驶仪系统特性，设计了一种快速滑模控制算法使得系统在受到有界未知不确定性和外界干扰的情况下仍然能精准快速跟踪指令信号，并基于李雅普诺夫函数证明了其稳定性。仿真结果验证了所设计控制算法的有效性。     

基于MOEA/D的三锥体拦截器气动外形优化设计

针对由临近空间拦截器飞行环境变化剧烈导致的热流密度过高等问题,提出一种多目标外形优化设计方法,并针对一种新型三锥体临近空间拦截器外形进行优化设计。首先,建立飞行器的气动、弹道、气动热等多学科分析模型,利用高斯-伪谱法计算拦截弹道,利用桥函数法建立气动模型,并利用Fay-Riddle方法估计气动热流密度。然后,以飞行器航程、总热流量和飞行时间为优化目标,采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)与伪谱法将该问题转化为一组单目标优化子问题,得到Pareto前沿并进行相关分析。最后,给出一个优于基准值,同时满足性能指标要求的新型外形。结果表明:该优化方法具有可实现性,为未来的飞行器设计提供了新思路。