[发明专利]考虑全捷联导引头视场约束的三维制导控制一体化设计方法

摘要

本发明涉及一种考虑全捷联导引头视场约束的三维制导控制一体化设计方法，该方法首先建立全捷联导引头视线解耦模型、三维空间内导弹‑目标的相对运动模型以及弹体姿态控制系统模型；再选择状态变量和系统输出变量，建立考虑视场角约束的三维制导控制一体化状态空间数学模型；采用障碍Lyapunov函数、自适应干扰观测器以及动态面控制相结合的控制方法。由于采用障碍Lyapunov函数、自适应干扰观测器以及动态面控制相结合的控制方法，同时满足了制导精度和全捷联导引头视场角约束条件，保证了导弹制导控制过程中全捷联导引头探测的体视线角满足导引头视场约束。

主权项

1.一种考虑全捷联导引头视场约束的三维制导控制一体化设计方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立全捷联导引头视线解耦模型、三维空间内导弹‑目标的相对运动模型以及弹体姿态控制系统模型；(a).建立全捷联导引头视线解耦模型其中，η_BL,ε_BL分别表示体视线方位角和体视线高低角，分别表示体视线方位角速率和体视线高低角速率，η,ε分别表示惯性系下弹‑目相对视线方位角和高低角，分别表示惯性系下的弹‑目相对视线方位角速率和高低角速率，ψ,θ分别表示偏航角和俯仰角，分别表示偏航角速率和俯仰角速率，由下式给出：其中，ω_x,ω_y,ω_z分别是导弹的滚转角速率、偏航角速率和俯仰角速率，γ表示弹体的滚转角；(b).建立三维空间内导弹‑目标的相对运动模型其中，分别是惯性系下的弹‑目相对视线方位角加速度和高低角加速度，R,分别是弹‑目相对距离和相对速度，r是弹‑目相对距离在水平面上的投影；α,β分别是导弹的飞行攻角和飞行侧滑角，P是导弹的发动机推力，q是导弹的飞行动压，S是导弹的参考面积，L是导弹的参考长度，是升力系数对攻角的偏导数，是侧向力系数对偏航角的偏导数，d_Z,d_Y分别是导弹侧向力和升力的不确定性；a_ty,a_tz分别是目标纵向平面和侧向平面的加速度分量；(c).建立弹体姿态控制系统模型其中，δ_x,δ_y,δ_z分别是导弹的滚转舵偏角、偏航舵偏角和俯仰舵偏角；P是导弹的发动机推力，m是导弹的质量，J_x,J_y,J_z是导弹的转动惯量，V_M是导弹的飞行速度；q是导弹的飞行动压，S是导弹的参考面积，L是导弹的参考长度；是升力系数对攻角的偏导数，是侧向力系数对偏航角的偏导数；是俯仰力矩系数对攻角的偏导数，是偏航力矩系数对侧滑角的偏导数，是滚转力矩系数对滚转舵偏角的偏导数，是偏航力矩系数对偏航舵偏角的偏导数，是俯仰力矩系数对俯仰舵偏角的偏导数；d₃,d₄表示由导弹的空气动力学系数引起的不确定性；步骤2：选择状态变量和系统输出变量，建立考虑视场角约束的三维制导控制一体化状态空间数学模型选择状态变量为：x₁＝[η_BL ε_BL]^T,x₃＝[γ β α]，x₄＝[ω_x ω_y ω_z]，u＝[δ_x δ_y δ_z]；得到系统的状态空间模型如下：其中：Δ₃＝d₃Δ₄＝d₄Δ₁为第1个状态方程的综合不确定性，Δ₂为第2个状态方程的综合不确定性，Δ₃为第3个状态方程的综合不确定性，Δ₄为第4个状态方程的综合不确定性；u是待设计的系统控制输入；步骤3：给定视场角约束边界，设计x₂的虚拟控制量定义误差项s₁＝x₁且x₁＝[x₁₁ x₁₂]^T，以x_2d作为状态x₂的虚拟控制量；定义Q为需要约束的视场角范围，为了确保纵向通道和侧向通道的体视线角同时满足约束条件|x₁₁|≤Q,|x₁₂|≤Q，设计x_2d为：其中，是第一个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量，λ₁和k₁＝diag(k₁₁,k₁₂)为待设计的控制参数；引入如下的自适应律对模型的不确定性进行估计和补偿：其中，是第1个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量的一阶导数，μ1为待设计的参数；为了避免虚拟控制微分膨胀，引入一阶滤波器获取新的变量x_2c：其中，x_2c是虚拟控制量x_2d的近似量，是x_2c的一阶导数，τ₂＝diag(τ₂₁,τ₂₂)为动态面的时间延迟参数；步骤4：保证在飞行过程中弹体不发生滚转，设计的虚拟控制量定义误差项s₂＝x₂‑x_2d，以作为状态的虚拟控制量，设计为：其中，是第2个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量，λ₂和k₂＝diag(k₂₁,k₂₂)为待设计的控制参数；引入如下的自适应律对模型的不确定性进行估计和补偿：其中，是第2个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量的一阶导数，μ₂为待设计的参数；为了避免虚拟控制微分膨胀，引入一阶滤波器获取新的变量其中，是虚拟控制量的近似量，是的一阶导数，τ₃＝diag(τ₃₁,τ₃₂)为动态面的时间延迟参数；步骤5：设计x₄的虚拟控制量定义误差项以x_4d作为状态x₄的虚拟控制量，设计x_4d为：其中，是第3个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量，λ₃和k₃＝diag(k₃₁,k₃₂,k₃₃)为待设计的控制参数；引入如下的自适应律对模型的不确定性进行估计和补偿：其中，是第3个状态方程综合不确定性上界平方的估计量的一阶导数，μ₃为待设计的参数；为了避免虚拟控制微分膨胀，引入一阶滤波器获取新的变量x_4c：其中，x_4c是虚拟控制量x_4d的近似量，是x_4c的一阶导数，τ₄＝diag(τ₄₁,τ₄₂,τ₄₃)为动态面的时间延迟参数；步骤6：设计制导控制一体化的理想舵偏角指令定义误差项s₄＝x₄‑x_4c，u为理想的舵偏角指令，设计u为：其中，是第4个状态方程的综合不确定性上界平方的估计量，λ₄和k₄＝diag(k₄₁,k₄₂,k₄₃)为待设计的控制参数；引入如下的自适应律对模型的不确定性进行估计和补偿：其中，是第4个状态方程综合不确定性上界平方的估计量的一阶导数，μ₄为待设计的参数；步骤7：结合步骤3～6综合得到最终考虑全捷联导引头视场角约束的三维制导控制一体化设计结果；给出最终的控制器表达式如下：步骤8：设计带有障碍积分形式的Lyapunov函数证明闭环系统的有界稳定性将滤波器引起的边界层误差向量定义为：自适应律的估计误差可以表示为：设计带有障碍积分形式的Lyapunov函数为：根据上述定义，基于Lyapunov稳定性定义可知闭环系统渐进收敛。