基于扩张状态观测器的制导控制方法研究

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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。
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