[发明专利]考虑舵机动态性能和攻击角约束的制导控制一体化方法

权利要求书

1.一种考虑舵机动态性能和攻击角约束的制导控制一体化方法，其特征在于：具体步骤详述如下：

步骤一、建立纵向通道的弹-目运动关系、导弹的动力学方程、舵机的动力学方程；

1.1、纵向通道的弹-目相对运动关系方程如下：

其中R是弹-目相对距离，q是弹目视线角，V_M和θ_M是导弹的速度矢量和速度倾角，V_T和θ_T是目标的速度矢量和速度倾角；

1.2、导弹在纵向平面的动力学方程如下：

式中a_M为法向加速度，n_y是导弹的法向过载，g为重力加速度，Y为导弹升力，m为导弹质量，α为攻角，为俯仰角，ω_z为俯仰角速率，δ_z为舵偏角，J_z为z轴的转动惯量，M₀为与攻角、俯仰角速率、舵偏角有关的俯仰力矩；

由上式得出

式中，Q为动压，S为特征面积，为升力系数对攻角的偏导数，a₁为与攻角有关的升力系数，代表集成干扰，含未建模的动态、空气动力学系数变化引起的摄动及外界干扰；

1.3、导弹在纵向平面的升力和俯仰力矩模型为：

式中，M_α代表与攻角有关的俯仰力矩分量，代表与俯仰角速率有关的俯仰力矩分量，代表与舵偏角有关的俯仰力矩分量，l为特征长度，分别为俯仰力矩系数对攻角、俯仰角速度、舵偏角的偏导数；

1.4、舵机一阶动力学模型简化如下：

式中，τ_z为舵机的时间常数，δ_z为舵偏角，δ_zc控制器的输入指令；

步骤二、根据步骤一描述的弹-目运动关系及弹体动力学方程，建立包含非匹配不确定的严反馈形式的非线性的导弹纵向通道的制导控制一体化模型，为下一步控制器设计做准备；

为简化公式，定义：

式中，a₂、a₃、a₄分别代表与攻角、俯仰角速率、舵偏角有关的俯仰力矩系数，a₅代表与舵机时间常数有关的系数；

定义状态变量x_i,i＝1,2,3,4,5代表系统状态，q_d为期望的攻击角度，式中所有的状态变量均直接可测；所建立的制导控制一体化模型如下：

式中

式中，f₂(x₂)、f₃(x₃)、f₄(x₄)、f₅(x₅)为模型的函数项，b₂、b₃、b₄、b₅为模型状态量系数，d₂、d₃、d₄为系统的集成干扰，包含了系统未建模的动态、外部干扰、气动参数变化引起的摄动以及目标机动，a_T为未知的目标法向加速度，代表模型不确定性，u为控制器的输入；

步骤三、使用反步法将模型分为制导子系统、法向过载子系统、姿态子系统及舵机子系统并进行逆向递推设计，使用全局终端滑模控制、线性反馈、动态面方法设计制导控制一体化控制器；

3.1、针对制导子系统，定义全局终端滑模面和相应的趋近律如下：

式中s₁为全局终端滑模面，α₀、β₀是正数，p₀和q₀为正奇数，且p₀q₀，γ是正数，决定了到达速度，λ和η为正奇数；

对(7)式求导带入公式(6)第二个方程，设计虚拟法向过载控制命令为

为了避免反演控制算法带来的“微分爆炸”现象，引入动态面方法，使得x_3d通过一阶滤波器得到滤波信号x_3c和

式中，τ₃是滤波器的时间常数；

3.2、针对法向过载子系统，使用线性反馈方法，设计期望的法向过载为

式中k₃为线性反馈系数；将上式(10)带入方程(6)中，得出虚拟姿态控制命令为

同理，将x_4d通过一阶滤波器得到滤波信号x_4c和

τ₄是滤波器的时间常数；

3.3、同理，针对姿态子系统，设计期望的俯仰角速度为：

k₄为线性反馈系数，将上式(13)带入方程(6)中，得出虚拟舵偏角控制命令为

同理，将x_5d通过一阶滤波器得到滤波信号x_5c和

τ₅为滤波器的时间常数；

3.4、针对舵机子系统，设计期望的舵偏角为

k₅为线性反馈系数，将上式(16)带入方程(6)中，得出控制器的命令为

步骤四、针对步骤三所设计的虚拟控制命令中的集成干扰，采用降阶扩张状态观测器对其进行估计和补偿；

式中p_i,i＝2,3,4是辅助变量，β_i＞0,i＝2,3,4为观测器的增益，是集成干扰d_i,i＝2,3,4的估计值；

步骤五、结合步骤三和四，制导控制一体化控制器归纳为：