[发明专利]一种用于半捷联制导导弹的一体化控制方法

摘要

本发明公开了一种用于半捷联制导导弹的一体化控制方法，分以下步骤步骤1建立导引头稳定跟踪与弹体姿态控制一体化数学模型，包括弹体姿态运动学模型、框架运动学模型、角跟踪系统模型、一体化数学模型；步骤2设计一体化控制器构型；步骤3设计非线性动态逆的控制器；步骤3基于非线性动态逆的控制器设计。本发明根据一体化模型，设计的基于内外环的一体化控制构型，解决了控制回路之间的耦合问题，降低了控制系统设计的保守性，提高了系统的综合性能。

主权项

一种用于半捷联制导导弹的一体化控制方法，包括以下几个步骤：步骤1：建立导引头稳定跟踪与弹体姿态控制一体化数学模型，包括弹体姿态运动学模型、框架运动学模型、角跟踪系统模型、一体化数学模型；(1)弹体姿态运动学模型；导弹气流角微分方程为：α·β·γ·v=mgcosγvcosθ-LmVcosβmgsinγvcosθ+YmV-ψ·vsinθ-(mgcosγvcosθ-L)tanβmV+-cosαtanβsinαtanβ1sinαcosα0cosαsecβ-sinαsecβ0ωmxωmyωmz---(1)]]>式中，α,β,γv分别为攻角、侧滑角、倾侧角；θ,ψv分别为弹道倾角、弹道偏角；L,Y分别为升力和侧向力；ωmx,ωmy,ωmz为弹体体轴姿态角速度；m为导弹质量，g为重力加速度，V为导弹飞行速度；姿态角速度微分方程为：ω·mxω·myω·mz=Mx0Ix-(Iz-Iy)ωmzωmyIxMy0Iy-(Ix-Iz)ωmxωmzIyMz0Iz-(Iy-Ix)ωmyωmxIz+QSLrmxδxIx000QSLrmyδxIy000QSLrmzδxIzδxδyδz---(2)]]>式中，Mx0,My0,Mz0为零舵偏状态下的气动力矩；为滚转力矩系数对δx的导数，为滚转力矩系数对δy的导数，为滚转力矩系数对δz的导数；动压Q＝0.5ρV2，ρ为空气密度；S为导弹参考面积；Lr为导弹参考长度；δx,δy,δz为滚转、偏航、俯仰三通道的舵偏角；Ix,Iy,Iz分别为导弹三个方向的转动惯量；(2)框架运动学模型；导引头光轴中心在空间中的运动为：ωd＝ωdm+ωds              (3)式中，ωdm=ωmxcosλzcosλy+ωmysinλz-ωmzcosλzsinλy-ωmxsinλzcosλy+ωmycosλz+ωmzsinλzsinλyωmxsinλy+ωmzcosλyωds=λ·ysinλzλ·ycosλzλ·z]]>其中，ωd为光轴角速度在探测坐标系中的投影，ωdm为弹体角速度在探测坐标系中的投影，ωds为导引头伺服框架角速度在探测坐标系中的投影，ωmx,ωmy,ωmz为弹体体轴角速度，λy,λz为半捷联稳定平台的内外框架角；(3)角跟踪系统模型；三维跟踪角误差微分方程为：ϵ·y=ωy-ωdy+ωdxϵzϵ·z=ωz-ωdz-ωdxϵy---(4)]]>式中，εy,εz为失调角，ωy,ωz为视线角速度，ωdx,ωdy,ωdz为光轴角速度；(4)导引头稳定跟踪与弹体姿态控制一体化数学模型；建立半捷联导引头控制与姿态控制一体化数学模型：x·1=f1(x1)+g1(x1)x2u1x·2=f2(x2)+g2(x2)u2---(5)]]>式中，x1=αβγvϵyϵzT,u1=ωλyωλzT=λ·yλ·zT,]]>x2＝[ωmx ωmy ωmz]T，u2＝[δx δy δz]T，f1(x1)=mgcosγvcosθ-LmVcosβmgsinγvcosθ+YmV-ψ·vsinθ-(mgcosγvcosθ-L)tanβmVωyωz,g1(x)=-cosαtanβsinαtanβsinαcosαcosαsecβ-sinαsecβsinλzcosλy+ϵzcosλzcosλy-cosλz+ϵzsinλz-(sinλy+ϵycosλzcosλy)-ϵysinλz100000000-(sinλzsinλy+ϵzcosλzsinλy)-cosλz+ϵzsinλz0-cosλy+ϵycosλzsinλy-ϵysinλz-1,]]>f2(x)=Mx0Ix-(Iz-Iy)ωmzωmyIxMy0Iy-(Ix-Iz)ωmxωmzIyMz0Iz-(Iy-Ix)ωmyωmxIz,g2(x)=QSLrmxδxIx000QSLrmyδxIy000QSLrmzδxIz;]]>步骤2：设计一体化控制器构型；设制导系统给出的气流角指令αc,βc,γvc，框架角位置测量传感器测得的框架角位置λy,λz，弹目视线角qy,qz经过滤波器得到的弹目视线转率ωy,ωz，以及导引头接收机得到的跟踪角误差εy,εz，通过外环控制器输出框架角速度控制信号ωλyc,ωλzc，控制光轴指向实时跟踪弹目视线，同时给出姿态角速度的伪控制量ωmxc,ωmyc,ωmzc，再送给内环姿态角速度控制系统，控制气动舵实现对ωmxc,ωmyc,ωmzc的快速跟踪；步骤3：基于非线性动态逆的控制器设计；(1)设计外环动态逆控制器；设外回路的状态变量为[α β γv εy εz]T，输入控制变量为[ωmx ωmy ωmz ωλy ωλz]T；则外环动态逆控制器为：ωmxcωmycωmzcωλyωλz=g1-1(x1)(vαvβvγvvϵyvϵz-f(x1))---(9)]]>式中：分别为状态变量α,β,γv,εy,εz的期望动态形式，ωmxc,ωmyc,ωmzc为内环期望的弹体姿态角速度指令，作为内环的伪控制量；(2)设计内环动态逆控制器；设内回路控制指令为外回路伪控制量ωmxc,ωmyc,ωmzc，输入控制变量为δx,δy,δz；则内环动态逆控制器：δxδyδz=g2-1(x2)(vωmxvωmyvωmz-f(x2))---(10)]]>式中：分别为状态变量ωmxc,ωmyc,ωmzc的期望动态形式；通过式(9)和(10)分别得到外环动态逆控制器和内环动态逆控制器，完成导弹的一体化控制。