临近空间拦截弹的非奇异终端滑模控制

针对临近空间直接力/气动力复合控制拦截弹的抗干扰控制问题,提出了一种基于有限时间干扰观测器(FTDO)的非奇异终端滑模(NTSM)复合跟踪控制策略。首先,设计FTDO估计系统的不匹配干扰;在此基础上,设计基于FTDO的NTSM复合控制律,获取期望的控制力矩。接着,考虑到作为执行机构的气动舵和反作用喷气装置存在冗余性,进一步提出了一种动态控制分配算法实现期望控制指令到执行机构的分配,获得良好的控制分配精度和较小的执行机构能耗。最后,仿真结果验证了所设计复合控制系统的有效性。

基于非线性干扰观测器的拦截弹动态逆控制

针对直接力/气动力复合控制的临近空间拦截弹,提出了一种基于非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)的动态逆复合跟踪控制器设计方法。首先设计NDO,对系统的不匹配干扰进行估计,并通过干扰估计值设计前馈补偿项来有效消除外部干扰对系统的影响。接着,设计基于NDO的动态逆复合控制律,获取期望控制力矩。然后,利用动态控制分配技术将期望控制力矩分配到气动舵和反作用喷流装置。最后,仿真结果表明,所设计复合控制器对过载指令具有较好的跟踪效果,适用于临近空间拦截弹复合控制。

基于干扰观测器的临近空间拦截弹复合控制

在空间拦截弹精确控制优化问题的研究中,针对临近空间直接力/气动力复合控制拦截弹的控制问题,提出一种具有干扰抑制和补偿能力的复合跟踪控制器设计方法。考虑到输入通道中的干扰影响,设计了基于干扰观测器和H∞控制的复合控制器,并基于线性矩阵不等式对其进行求解,使得闭环系统稳定并满足一定的H∞性能。针对直接侧向力由脉冲发动机提供时的控制量偏差,通过非线性容限分析方法得出闭环系统稳定的充分条件。仿真结果表明,改进设计方法的有效性,可为拦截弹精确控制提供依据。

临近空间飞行器拦截策略与拦截武器能力分析

针对现有典型高动态临近空间飞行器,分析其弹道特性和相关指标。以此为典型对象,通过对现有各型拦截系统的能力分析,重点针对临近空间飞行器研究了此类拦截系统的响应速度、作用空域、弹道形式,并根据此类系统的不足,针对弹道的不同阶段提出了应对临近空间飞行器的各种拦截策略。

基于空基拦截器的高超声速飞行器防御拦截

高超声速飞行器的防御技术一直是空间攻防对抗技术领域的一个难点,尤其是近年来发展的临近空间高超声速巡航飞行器更给现有的防御体系带来了新的挑战。介绍临近空间高超声速飞行器的目标特性,针对其探索一种基于空基拦截器的防御策略,重点探讨空基拦截器防御的关键技术与难点,并通过运动学建模与仿真从拦截器的制导方法与导引规律方面对空基拦截器策略进行分析。

临近空间拦截弹H_∞末制导律设计研究

为了对以X-51A为代表的临近空间高超声速飞行器实施有效拦截,提出一种新的具有强鲁棒性的非线性H∞制导律。首先,将目标机动作为系统扰动,建立拦截弹—目标相对运动学数学模型;根据几何方法拦截策略分析,提出以离心加速度的均方根为扰动输出;引入Hamilton函数并基于最优控制理论,得到非线性H∞制导律。该方法利用Lyapunov稳定性理论严格证明了制导系统的全局渐近稳定性,且无需求解Hamilton-Jacobi-Issacs(HJI)偏微分方程。仿真结果表明,该制导律不仅具有很强的鲁棒性也能获得良好的制导精度。

多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术研究

分析了目前高超声速飞行器的发展现状和发展趋势,指出高超武器已经给现有的防空反导武器系统带来极大威胁和挑战。针对高超声速飞行器的拦截问题,分析梳理了相关的技术难点。为保证拦截成功,采用多枚拦截器编队拦截高超声速目标是目前高效可行的技术途径,而多临近空间拦截器自主协同制导控制技术则是关键技术。针对多临近空间拦截器编队攻击自主协同制导控制技术,分别从建模、决策规划、感知、制导、控制以及评估6个方面提出需要解决的关键技术问题。最后对多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术进行了总结与展望。

动能拦截弹三维末制导律设计

通过非线性系统反馈线性化得到动能拦截弹的精确线性模型,根据动能拦截弹脱靶量分析结果和制导精度要求,结合直接力控制特点,设计了拦截弹三维末制导律。仿真验证了所设计制导律的有效性,满足拦截高空高速目标的技术需求。

多饱和约束拦截弹参数时变系统控制器设计

针对拦截弹参数时变和执行机构饱和非线性影响控制系统性能,提出基于齐次多项式参数相关Lyapunov理论和非线性矩阵微分方程凸多面体转换算法相结合的鲁棒最优控制系统设计方案。通过引入标准饱和约束算子,建立控制系统数学模型并给出控制系统结构;引入饱和归一化因子,把非线性参数时变微分方程转化成线性多胞型微分方程;基于齐次多项式参数相关Lyapunov理论和拓展Pólya’s定理,把参数时变多胞型微分方程转换成齐次多项式参数相关微分方程,并给出齐次多项式参数相关控制器结构;利用迭代算法把非线性矩阵不等式转换成线性矩阵不等式(LMIs),进而基于LMI凸优化理论获得控制器解,设计出的控制器是关于齐次多项式阶次g和Pólya’s松弛度d的函数;通过定点和制导控制系统仿真校验了该算法,仿真结果表明随着齐次多项式阶次g和Pólya’s松弛度d的增加,设计出的控制器在确保系统稳定的前提下改善控制系统性能。

临近空间拦截弹非线性控制系统设计研究

针对临近空间高超声速拦截弹非线性执行机构影响控制系统响应性能,提出基于指定闭环特征值的最优控制系统跟踪设计研究;首先基于次优控制理论及bang-bang理论给出非线性闭环控制系统理想特征值分布;其次,提出基于指定特征值的最优控制系统加权阵的选择方案,并给出和证明加权矩阵存在的充分必要条件;进而基于LQ跟踪器原理设计控制系统;最后通过仿真分析了不同方案的系统性能,仿真结果表明基于该理论设计出的控制系统具有响应速度快、鲁棒稳定性强等特点。

基于NLMIs拦截弹控制系统鲁棒最优设计

临近空间拦截弹执行机构饱和影响控制系统的响应性能,针对此问题,提出了基于NLMIs鲁棒最优的控制系统设计方案;建立执行机构饱和算子模型并给出控制系统结构,引入顶点多项式理论给出控制系统数学模型,通过定理给出非线性控制系统的鲁棒最优控制器结构,利用迭代算法把NLMIs转化成LMIs,基于LMI凸优化理论获得控制器解,定点仿真验证了该算法的合理性。仿真结果表明,所设计的非线性控制系统是鲁棒最优的设计。

基于非线性干扰观测器的临近空间拦截弹姿态控制

为满足临近空间拦截弹在大干扰强耦合情况下高精度姿态控制问题,设计了基于非线性干扰观测器的自适应鲁棒反演控制器。建立了基于直接力控制的拦截弹三通道姿态控制系统模型;采用二阶滑模微分器,估计计算反演控制中虚拟控制量的导数,解决了"微分膨胀"的问题;为提高姿控系统控制精度,对模型的未知信息和外界干扰做高精度的估计和补偿,依据二阶跟踪微分器,设计了一种新型非线性干扰观测器;并采用PSR调制器将连续控制量离散化,通过姿控发动机实现变推力控制。数字仿真结果显示,设计的姿态控制器跟踪速度快、精度高,对系统不确定和干扰具有强鲁棒性。

临近空间目标拦截弹弹道设计与验证

针对临近空间高超声速目标拦截弹弹道方案进行了设计和验证。首先,论述了临近空间高超声速目标拦截弹弹道设计的必要性,以临近空间飞行器高抛-再入-滑翔方案为参考设计弹道,将全弹道分为主动段和滑翔段分段建模;然后,根据主动段、滑翔段分别以射程最远、末端速度最大为性能指标,通过飞行过程分析约束条件,建立弹道优化的最优控制模型;最后,基于Gauss伪谱法对主动段和滑翔段弹道优化问题进行求解。仿真结果表明,所得的弹道轨迹特征与高抛-再入-滑翔弹道方案一致,飞行参数满足约束条件。

拦截跳跃式机动目标的制导律设计

针对攻击型临近空间飞行器的跳跃机动突防对常规拦截导弹提出的挑战,本文首先建立了视线坐标系下的三维弹-目相对运动方程,引入目标跳跃幅度变化率估计目标跳跃机动的能力,基于滑模变结构控制理论,设计了随弹-目距离和目标跳跃幅度变化率自适应调节的滑模趋近律,推导了视线坐标系下导弹的三维制导律。其次,采用轨控直接力控制技术,设计了直接力/气动力复合控制的分配方案。仿真结果表明:采用该制导律与控制策略的拦截弹能够精确拦截高速、大机动目标,同时拦截弹弹道平缓,需用过载和能量消耗均较小。

基于零控脱靶量和过载偏差的直/气复合控制策略

为解决常规控制策略难以高效修正中末制导交班误差的问题,提出了一种新的控制策略。首先建立了直/气复合控制系统的数学模型,然后分析了反临拦截器常见的轨控直接力开启策略,并通过仿真比较,选出控制效果最佳的轨控策略。在此基础上,结合反临拦截器的工作需求,提出了基于零控脱靶量和过载偏差的轨控策略,并将其与已有的轨控策略进行比较。仿真结果表明,新的控制策略可以在保证命中精度的前提下,燃料消耗降低40%以上,更利于打击位置偏差更大的目标。

临近空间拦截弹直接力/气动力复合控制

针对临近空间拦截弹直接力/气动力复合控制的特性,提出一种基于干扰观测器的保性能跟踪控制器设计方法。首先设计观测器对系统中存在的干扰进行估计,同时设计干扰补偿器抑制干扰对系统的影响;然后,设计复合跟踪控制器保证闭环系统稳定,并为系统性能指标提供一个最小化上界,相应的控制器参数可由线性矩阵不等式问题的可行解构造得到。仿真结果表明,所设计的复合控制系统能快速跟踪过载指令。

基于虚拟拦截点的预测制导算法设计

针对临近空间拦截弹中制导段大部分所处空域空气稀薄的情景,提出一种基于虚拟拦截点的预测制导直接力修正算法。首先,为提高预报速度,利用弹道拟合法对再入段的滑翔弹道进行快速预报;其次,利用预报弹道的终点和预测拦截点的几何关系得到虚拟拦截点,针对虚拟拦截点解二体Lambert问题以确定变轨需用速度,并依据此速度预报弹道,解算零控脱靶量;最后,经多次预报后得到零控脱靶量最小的虚拟拦截点,以此确定最终变轨需用速度并利用速度增益进行修正。仿真结果表明,与无虚拟拦截点修正的策略相比,针对虚拟拦截点的拦截修正方法有效减少了发动机燃料消耗和零控脱靶量,更好地满足中制导能量约束和精度要求。

Finite-time composite guidance law with input constraint and dynamics compensation

Guidance laws are proposed for a near space interceptor with on-off type thrust as output.The target-interceptor engagement kinematics is integrated with the first-order dynamics of thruster to design guidance laws.The bang-bang type guidance law with linear sliding mode is proposed to deal with thruster dynamics,and the sufficient condition for finite time convergence is rigorously proved based on the finite-time convergence theory.According to the sufficient condition,a sliding mode guidance law with hysteresis-band switching is introduced to reduce the switching frequency of thruster.Then two guidance laws are combined into a composite guidance law to improve the guidance performance.Simulation results show that the line-of-sight angular rate can converge to a neighborhood of the equilibrium point before the final time of the guidance process,and the composite guidance law has better performance than typical guidance laws.