变结构控制算法研究及其在导弹控制系统中的应用

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现代战场环境越来越恶劣,对导弹突防能力和打击效果要求越来越高,也就是要求导弹具有良好的机动作战性能,那么导弹需要以大攻角飞行,这使得传统的用于导弹控制系统设计的小扰动线性化基本假设不再成立。同时,为了充分利用导弹的机动过载能力,也经常在导弹上采用倾斜转弯(Bank-to-Turn, BTT)控制技术,这使得导弹的侧向运动和纵向运动存在强烈的交叉耦合作用。在设计导弹制导系统时,即使将弹体当作质点处理,导弹与目标的相对运动模型也是强非线性的。综上,未来的导弹系统是一个变量间耦合严重、强非线性、干扰严重及快时变的复杂系统,所以传统的导弹制导与控制系统设计基础(小扰动线性化假设和系数冻结基本假设)将不再成立[1]。滑模变结构控制(Sliding Mode Control, SMC)以其独特的优点,如具有算法简单,不要求被控对象具有精确的数学模型,当系统参数摄动和外界干扰符合完全匹配条件时,控制系统对它们具有不变性等优点,所以非常适合导弹制导与控制系统设计。但是由于经典滑模变结构控制系统中存在“抖振”现象造成了在应用它进行导弹制导与控制系统综合时会遇到巨大困难。为消除经典滑模变结构控制系统中的“抖振”现象同时保留其强鲁棒性,一些学者提出了高阶滑模变结构控制(High Order Sliding ModeVariable Structure Control, HOSMC)思想。论文主要针对高阶滑模变结构控制算法进行研究并将其应用于导弹制导与控制系统设计,主要研究工作如下:1.简述变结构控制算法的基本原理,对其产生抖振的原因进行了详细分析,并介绍几种抑制抖振的方法,指出这些方法在有效抑制系统抖振的同时也降低了系统的控制性能。2.概述高阶滑模变结构控制的基本概念和思想,介绍了一种典型高阶滑模变结构控制算法,针对该算法存在对被控对象要求较为苛刻的缺陷,提出了一种拟高阶滑模控制算法。3.针对已经存在的高阶滑模变结构控制算法局限性,如对被控对象要求严格、算法复杂等不足,提出了一个新的二阶滑模变结构控制系统的滑模到达条件,并基于该到达条件设计出一个新的二阶滑模变结构控制算法。在该到达条件下,通过构造李雅普诺夫函数证明了控制系统的鲁棒性和系统相轨迹渐近收敛于滑动模态,并结合常微分方程理论证明了控制系统状态的相轨迹将在有限时间内收敛于滑动模态。之后概述线性滑模和终端滑模的定义,并根据所提出的二阶滑模变结构控制系统的滑模到达条件给出了基于线性、积分滑模的控制算法仿真。4.建立了在大气中飞行的战术导弹导引和姿态控制数学模型,根据所提出的二阶滑模变结构控制系统滑模到达条件给出了基于线性滑模的导弹制导律;为便于导弹姿态控制系统的设计,将复杂导弹姿态运动方程分解成三个简单的子系统,即俯仰通道子系统、偏航通道子系统和滚转通道子系统,同时将三个通道间的耦合项等效为外界干扰。当三通道间的耦合项有界时,分别给出了三个子系统的控制器。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性,并且有效消除了导弹系统的抖振现象。
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