高階滑模制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬克茂+董繼鵬+張金鵬

摘要：針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，應(yīng)用高階滑模控制方法，設(shè)計(jì)了高精度制導(dǎo)律。在制導(dǎo)律設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)，基于增廣比例導(dǎo)引設(shè)計(jì)了滑模變量，考慮二階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了二階滑模制導(dǎo)律。應(yīng)用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)，完成了制導(dǎo)律的實(shí)現(xiàn)。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈；機(jī)動(dòng)目標(biāo)；制導(dǎo)律；高階滑?？刂?；高增益觀測(cè)器

中圖分類號(hào)：TJ765.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導(dǎo)過(guò)程中，影響制導(dǎo)精度的主要因素是目標(biāo)的逃逸機(jī)動(dòng)和導(dǎo)彈過(guò)載響應(yīng)的彈體動(dòng)態(tài)特性[1]。對(duì)于非機(jī)動(dòng)目標(biāo)，不考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響，比例導(dǎo)引是一定性能指標(biāo)下的最優(yōu)制導(dǎo)律[2]。對(duì)于針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截的情況，一種處理方法是將目標(biāo)機(jī)動(dòng)作為不確定外部擾動(dòng)進(jìn)行處理[3]，采用對(duì)不確定性具有適應(yīng)性的控制方法，如滑?？刂品椒ǎM(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)。另一種處理方法是在比例導(dǎo)引的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度進(jìn)行前饋補(bǔ)償而構(gòu)成增廣比例導(dǎo)引，則可以實(shí)現(xiàn)與比例導(dǎo)引相同的最優(yōu)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)這種最優(yōu)性，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題；一是如何消除彈體動(dòng)態(tài)特性的影響。針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題，主要的解決思路是應(yīng)用濾波方法[4]或狀態(tài)觀測(cè)器方法[5]。在考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，一般都是用一階或二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述彈體的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[6]考慮一階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律。由于彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)一般是高階系統(tǒng)，因此采用二階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，具有更大的實(shí)際意義[7]。

滑模控制廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)，但常規(guī)滑模系統(tǒng)要求的相對(duì)階為1，當(dāng)考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，常規(guī)滑模制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)存在一定的難度，而這一困難可以通過(guò)高階滑模進(jìn)行克服[8]。在滑模制導(dǎo)律中引入等效控制，可以降低滑模制導(dǎo)律中切換控制量的幅值，進(jìn)而改善制導(dǎo)系統(tǒng)的性能，但同傳統(tǒng)制導(dǎo)律相比，需要對(duì)更多的制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)。

將高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器應(yīng)用于制導(dǎo)信息的估計(jì)，可以利用高增益來(lái)保證估計(jì)精度和估計(jì)過(guò)程的快速收斂性，并通過(guò)觀測(cè)器狀態(tài)的擴(kuò)張完成對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度等制導(dǎo)信息的估計(jì)[9-11]。隨著觀測(cè)器增益的提高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)反饋控制的性能復(fù)原，但測(cè)量噪聲的存在，實(shí)際應(yīng)用中觀測(cè)器的增益受到限制[12]。

本文針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，采用高階滑模方法進(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)，以方便考慮高階彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。對(duì)制導(dǎo)律中所需要的視線轉(zhuǎn)率、目標(biāo)機(jī)動(dòng)等制導(dǎo)信息，利用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)。

摘要：針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，應(yīng)用高階滑模控制方法，設(shè)計(jì)了高精度制導(dǎo)律。在制導(dǎo)律設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)，基于增廣比例導(dǎo)引設(shè)計(jì)了滑模變量，考慮二階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了二階滑模制導(dǎo)律。應(yīng)用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)，完成了制導(dǎo)律的實(shí)現(xiàn)。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈；機(jī)動(dòng)目標(biāo)；制導(dǎo)律；高階滑?？刂?；高增益觀測(cè)器

中圖分類號(hào)：TJ765.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導(dǎo)過(guò)程中，影響制導(dǎo)精度的主要因素是目標(biāo)的逃逸機(jī)動(dòng)和導(dǎo)彈過(guò)載響應(yīng)的彈體動(dòng)態(tài)特性[1]。對(duì)于非機(jī)動(dòng)目標(biāo)，不考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響，比例導(dǎo)引是一定性能指標(biāo)下的最優(yōu)制導(dǎo)律[2]。對(duì)于針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截的情況，一種處理方法是將目標(biāo)機(jī)動(dòng)作為不確定外部擾動(dòng)進(jìn)行處理[3]，采用對(duì)不確定性具有適應(yīng)性的控制方法，如滑?？刂品椒?，進(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)。另一種處理方法是在比例導(dǎo)引的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度進(jìn)行前饋補(bǔ)償而構(gòu)成增廣比例導(dǎo)引，則可以實(shí)現(xiàn)與比例導(dǎo)引相同的最優(yōu)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)這種最優(yōu)性，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題；一是如何消除彈體動(dòng)態(tài)特性的影響。針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題，主要的解決思路是應(yīng)用濾波方法[4]或狀態(tài)觀測(cè)器方法[5]。在考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，一般都是用一階或二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述彈體的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[6]考慮一階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律。由于彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)一般是高階系統(tǒng)，因此采用二階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，具有更大的實(shí)際意義[7]。

滑?？刂茝V泛應(yīng)用于制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)，但常規(guī)滑模系統(tǒng)要求的相對(duì)階為1，當(dāng)考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，常規(guī)滑模制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)存在一定的難度，而這一困難可以通過(guò)高階滑模進(jìn)行克服[8]。在滑模制導(dǎo)律中引入等效控制，可以降低滑模制導(dǎo)律中切換控制量的幅值，進(jìn)而改善制導(dǎo)系統(tǒng)的性能，但同傳統(tǒng)制導(dǎo)律相比，需要對(duì)更多的制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)。

將高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器應(yīng)用于制導(dǎo)信息的估計(jì)，可以利用高增益來(lái)保證估計(jì)精度和估計(jì)過(guò)程的快速收斂性，并通過(guò)觀測(cè)器狀態(tài)的擴(kuò)張完成對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度等制導(dǎo)信息的估計(jì)[9-11]。隨著觀測(cè)器增益的提高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)反饋控制的性能復(fù)原，但測(cè)量噪聲的存在，實(shí)際應(yīng)用中觀測(cè)器的增益受到限制[12]。

本文針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，采用高階滑模方法進(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)，以方便考慮高階彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。對(duì)制導(dǎo)律中所需要的視線轉(zhuǎn)率、目標(biāo)機(jī)動(dòng)等制導(dǎo)信息，利用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)。

摘要：針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，應(yīng)用高階滑?？刂品椒?，設(shè)計(jì)了高精度制導(dǎo)律。在制導(dǎo)律設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)，基于增廣比例導(dǎo)引設(shè)計(jì)了滑模變量，考慮二階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了二階滑模制導(dǎo)律。應(yīng)用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)，完成了制導(dǎo)律的實(shí)現(xiàn)。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈；機(jī)動(dòng)目標(biāo)；制導(dǎo)律；高階滑?？刂疲桓咴鲆嬗^測(cè)器

中圖分類號(hào)：TJ765.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導(dǎo)過(guò)程中，影響制導(dǎo)精度的主要因素是目標(biāo)的逃逸機(jī)動(dòng)和導(dǎo)彈過(guò)載響應(yīng)的彈體動(dòng)態(tài)特性[1]。對(duì)于非機(jī)動(dòng)目標(biāo)，不考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響，比例導(dǎo)引是一定性能指標(biāo)下的最優(yōu)制導(dǎo)律[2]。對(duì)于針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截的情況，一種處理方法是將目標(biāo)機(jī)動(dòng)作為不確定外部擾動(dòng)進(jìn)行處理[3]，采用對(duì)不確定性具有適應(yīng)性的控制方法，如滑模控制方法，進(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)。另一種處理方法是在比例導(dǎo)引的基礎(chǔ)上，對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度進(jìn)行前饋補(bǔ)償而構(gòu)成增廣比例導(dǎo)引，則可以實(shí)現(xiàn)與比例導(dǎo)引相同的最優(yōu)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)這種最優(yōu)性，需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題；一是如何消除彈體動(dòng)態(tài)特性的影響。針對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度的估計(jì)問(wèn)題，主要的解決思路是應(yīng)用濾波方法[4]或狀態(tài)觀測(cè)器方法[5]。在考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，一般都是用一階或二階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述彈體的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[6]考慮一階彈體動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)了針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律。由于彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)一般是高階系統(tǒng)，因此采用二階慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，具有更大的實(shí)際意義[7]。

滑?？刂茝V泛應(yīng)用于制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)，但常規(guī)滑模系統(tǒng)要求的相對(duì)階為1，當(dāng)考慮彈體動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，常規(guī)滑模制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)存在一定的難度，而這一困難可以通過(guò)高階滑模進(jìn)行克服[8]。在滑模制導(dǎo)律中引入等效控制，可以降低滑模制導(dǎo)律中切換控制量的幅值，進(jìn)而改善制導(dǎo)系統(tǒng)的性能，但同傳統(tǒng)制導(dǎo)律相比，需要對(duì)更多的制導(dǎo)信息進(jìn)行估計(jì)。

將高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器應(yīng)用于制導(dǎo)信息的估計(jì)，可以利用高增益來(lái)保證估計(jì)精度和估計(jì)過(guò)程的快速收斂性，并通過(guò)觀測(cè)器狀態(tài)的擴(kuò)張完成對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)加速度等制導(dǎo)信息的估計(jì)[9-11]。隨著觀測(cè)器增益的提高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)反饋控制的性能復(fù)原，但測(cè)量噪聲的存在，實(shí)際應(yīng)用中觀測(cè)器的增益受到限制[12]。

本文針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截問(wèn)題，采用高階滑模方法進(jìn)行制導(dǎo)律設(shè)計(jì)，以方便考慮高階彈體動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。對(duì)制導(dǎo)律中所需要的視線轉(zhuǎn)率、目標(biāo)機(jī)動(dòng)等制導(dǎo)信息，利用高增益擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)。