BTT导弹基于扩张状态观测器的滑模控制律设计_马建伟

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1 T ( ) 4 Ωd v d d 4 =- q q 2 T T 其中 : v d = [ d 1 d 2 d 3 d 4] = [ d d 4 ] 为导弹理想姿态四 q q q q q q q 3 1 × , , 元 素 , 满足 q Ω v ∈R d =1 ,( d 4 ∈R ) d 为导弹的理 q q 3 1 × )。 想角速度矢量 ( Ωd ∈ R 本文的目的是在有参数摄动和外界干扰存在的情况下 , 设 )和 ( ) 的状态能 跟 踪 上 计一个反馈控制器 , 使闭环系统 ( 1 2 , : ) 表达式如下 理想姿态运动状态 ( 4 ( ) , l i m 5 θ θ v 1 =0 1 =q v -a 3 0
a 2
a 3
-a 1

( ) 3
-a 2 燀
a 1
0燅
假定理想的姿态运动由下式可得 1( × I Ωd d v = d 4 3 +q d v) q q 2
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计算机测量与控制
第2 2卷

t →∞
摘要 : 针对 B T T 导弹非线性动力学模型中的参数不确定性及系统存在未知外部干扰的问题 , 提出了一种基于扩张状态观测器的滑模 控制设计方法 ; 将系统参数不确定性和未知外界干扰作为系统的复合干扰 , 采用扩 张 状 态 观 测 器 估 计 系 统 的 复 合 干 扰 , 并 实 时 补 偿 ; 利 用L a u n o v 方法证明系统的稳定性 ; 该控制器算法简单 、 计算量小 , 更 易 于 实 际 工 程 应 用 ; 仿 真 结 果 表 明 , 设 计 的 控 制 器 对 导 弹 控 制 y p 系统受到的复合干扰具有较强的鲁棒性和稳定性 , 满足导弹姿态快速机动和高稳定度的控制要求 , 性能指标明显优于滑模控制器 。 关键词 :B T T 导弹 ; 扩张状态观测器 ; 滑模控制 ; 快速机动 ; 高稳定度
军事装备测控技术
计 算机测量与控制. 2 0 1 4. 2 2( 1 1) C o m u t e r M e a s u r e m e n t & C o n t r o l p
文献标识码 : A
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0 引言
导弹上燃料的消耗以及执行大角度姿态机动都会引起导弹 转动惯量的变化 , 在工程实践中 , 导弹的转动惯量参数通常 是 不能确切获知的 , 具有动力学参数不确定性 。 导弹在空间运 行 过程中会遇到各种各样的干扰 , 它们对系统的正常运行有很 大 影响 , 可能导致闭环系统不稳定 。 ] 依据 H ∞ 控制理 论 设 计 的 导 弹 鲁 棒 自 动 驾 驶 仪 文献 [ 1 具有很好的鲁棒稳定性 , 但其控制器形式过于复杂 , 限制了 实 际工程的应用 。 文献 [ 2] 采 用 最 优 控 制 来 保 证 系 统 的 快 速 性 和鲁棒性 , 但是反馈所 需 的 状 态 量 在 实 际 工 程 中 并 不 能 获 得 ; ] 设计了 B 文献 [ 3 T T 导弹块模型的鲁棒自适应控制器 , 但 这 种方法自适应调节器的个数较多 , 控制器设计复杂 。 文献 [ 4] 分析了模糊控制和神经网络应用于飞航导弹自动控制中的可行 性和有 效 性 。 文 献 [ 5] 设 计 自 适 应 反 演 自 动 驾 驶 仪 控 制 器 , 6] 保证攻角能很好地跟踪指令信号 。 扩张状态观测器 [ 具有收 敛 速度快 、 鲁棒性强 、 抗干扰能力强和算法简单等优点 。 近 些 年
J Ω =- Ω× J Ω +T +d
T T
式中 , v 4] = [ 1 2 3 4 ] 为导 弹 的 姿 态 四 元 素 , 满 足 q= [ q q q q q q
T 2 3 1 × , ; Ω 为导弹本体坐标系相对 v v+ 4 =1 ( v ∈R 4 ∈R) q q q q q
31 于惯性坐标系 的 角 速 度 矢 量 ( T 为导弹的控制力 Ω ∈ R × ); 3 3 × ) ; 若a = 矩, d 为干扰力矩 。 J 为导弹的转动 惯 量 ( J∈R
( ,H , ) I n f o r m a t i o n E n i n e e r i n C o l l e e e n a n U n i v e r s i t o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o L u o a n 7 1 0 2 3, C h i n a 4 g g g y g y y g
[ a a a 1 2 3 ], 则
收稿日期 : 2 0 1 4-0 4-2 0; 2 0 1 4-0 5-2 3。 修回日期 : , 基金 项 目 : 航空科学基金( 国家自然科学基金 2 0 1 3 0 1 4 2 0 0 3) ( ) 。 6 1 2 0 3 0 4 7 , 作者简介 : 马建伟 ( 男, 河 南 巩 义 人, 教 授, 博士研究生导 1 9 6 5- ) 师, 主要从事精确制导 、 控制与组合导航技术方向的研究 。
1 B T T 导弹控制系统数学模型
文中采用四元素来描述导弹运动学模型 , 可避免当导弹 作 大幅度的姿态运动时 , 在某些特殊情况下 , 某个姿态角可能 没 有意义 , 在运动学方程中出现奇异现象 。
9] : 导弹运动学 、 动力学模型可表示为 [
1( × I Ω v = 4 3 +q v ) q q 2 1 T Ω 4 =- v q q 2 ( ) 1 ( ) 2
S l i d i n M o d e C o n t r o l D e s i n f o r B T T M i s s i l e B a s e d o n g g S t a t e O b s e r v e r E x t e n d e d
, , M a J i a n w e i Y a n W e i n i u, S o n X i a o n a L i u G a n g g g
7] 。滑模变结构控 来 , 在飞行器 控 制 系 统 中 有 着 成 功 的 应 用 [ 8] 制[ 对参数变化及扰动不灵敏 、 无需系统在线辨识 、 物理实 现
简单 , 但外部干扰及不 确 定 项 是 滑 模 控 制 中 抖 振 的 主 要 来 源 , 利用观测器来消除外界干扰及不确定项带来的抖动 , 并使系 统 快速平滑收敛 。
( ) 文章编号 : 1 6 7 1-4 5 9 8 2 0 1 4 1 1-3 6 3 3-0 3 中图分类号 : T J 7 6 5. 4
B T T 导弹基于扩张状态观测器的滑模控制律设计
马建伟 , 杨伟妞 , 宋晓娜 , 刘 刚
( ) 河南科技大学 信息工程学院 , 河南 洛阳 4 7 1 0 2 3
: , A b s t r a c t F o r t h e n o n l i n e a r d n a m i c m o d e l o f B T T m i s s i l e w i t h u n c e r t a i n t i e s a n d u n k n o w n e x t e r n a l d i s t u r b a n c e t h i s a r a m e t r i c a e r y p p p a d e s i n m e t h o d o f s l i d i n m o d e c o n t r o l l e r b a s e d o n e x t e n d s t a t e o b s e r v e r( E S O) . T h e u n c e r t a i n t i e s a n d u n k n o w n e x r e s e n t e d a r a m e t r i c - g g p p t e r n a l d i s t u r b a n c e w a s t r e a t e d a s a c o m o s i t i o n d i s t u r b a n c e a n d E S O w a s u s e d t o e s t i m a t e u n k n o w n c o m o s i t e d i s t u r b a n c e a n d c o m e n s a t e d p p p c l o s e d - l o o s t a b i l i t o f t h e o b s e r v e r -c o n t r o l l e r c o m b i n a t i o n w a s r o v e d b L a u n o v m e t h o d . T h e c o n t r o l l e r a l o r i t h m i s s i m- o n l i n e . T h e p y p y y p g , , ’s s m a l l a m o u n t o f c a l c u l a t i o n a n d i t e a s i e r f o r e n i n e e r i n a l i c a t i o n. S i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i n e d c o n t r o l l e r l e r a c t i c a l g g p p g p p f o r t h e s s t e m o f m i s s i l e w i t h t h e c o m o s i t e d i s t u r b a n c e h a s o o d r o b u s t n e s s a n d s t a b i l i t . I t m e e t s t h e r e u i r e m e n t s o n t h e m i s s i l e f a s t a t t i - y p g y q t u d e m a n e u v e r a n d h i h s t a b i l i t . T h e i n d i c e s a r e m u c h s u e r i o r t o t h o s e o f s l i d i n -m o d e c o n t r o l l e r . e r f o r m a n c e g y p g p : ; ; ; ; K e w o r d s B T T m i s s i l e e x t e n d e d s t a t e o b s e r v e r s l i d i n -m o d e c o n t r o l f a s t m a n e u v e r h i h s t a b i l i t g g y y