一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导方法技术

针对末制导控制问题，本发明专利技术提出了一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导控制方法。该制导方法的主要设计思想是以期望的弹目视线角为跟踪控制目标,控制拦截弹的弹目视线角快速跟踪期望视线角,从而实现导弹精确拦截目标的目的。为了实现该拦截目标,建立了弹目跟踪误差的受控系统,据此设计了基于耦合PID镇定规则的末制导律,理论分析了弹目跟踪控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性,仿真结果不仅验证了理论分析的合理性,而且表明了本发明专利技术的一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导控制方法能够以期望的弹目视线角快速而精确地拦截目标，而且攻击角度较大，杀伤力较强，在末制导控制领域具有重要的科学意义和应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导方法
本专利技术涉及一种末制导控制方法，尤其涉及一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导控制方法。
技术介绍
使用精确制导武器对目标实施精确快速拦截是现在和未来战争中的主要作战方式。末制导律的设计不仅要求导弹以较小的脱靶量击中目标，还需要导弹以特定的攻击角度命中目标以求对作战目标最大的毁伤效果。由于高速飞行的导弹在打击目标时,留给末制导的时间往往只有短短几十秒钟，因而迫切要求弹目视线(LineOfSight,LOS)角速率能够快速收敛，以保证导弹在与目标撞击之前稳定到期望的LOS角方向，提高制导性能。由于终端滑模控制(TerminalSlidingModeControl,TSMC)通过引入非线性滑模面确保了系统状态能够在有限时间内收敛，因而采用TSMC方法针对机动目标进行制导律的设计获得了广泛的研究，然而由于TSMC方法存在奇异性问题，为此出现了非奇异终端滑模控制方法，比如在研究带攻击角度约束的制导律中设计了一种积分滑模面来避免奇异问题。此外，当系统状态远离平衡点时，TSMC收敛速率较慢，为了加快收敛速率，提出了非奇异快速终端滑模控制方法。考虑到采用有限时间收敛TSMC得到的系统状态收敛时间依赖于系统的初始条件，而在设计导弹的制导律过程中，导弹和目标的具体初始状态通常是事先未知的，由于不同的初始条件得到的收敛时间也不同，因而作为有限时间稳定性理论的扩展，出现了固定时间收敛(fixed-timeconvergence,FTC)的概念，而且FTC理论可以使系统得到一个独立于初始条件的收敛时间上界。采用FTC进行制导律设计时，可以将系统状态的收敛时间上界通过参数控制预先设定为不依赖于初始条件的固定值，从而使得设计的制导律适用范围更广，制导性能更高。比如带有攻击角度约束的非奇异终端滑模固定时间收敛制导律设计方法在解决终端滑模面奇异性问题的同时，使得滑模面、LOS角以及LOS角速率能够在固定时间内快速收敛。与传统的固定时间收敛控制方法相比，该制导律具有更快的收敛速率。由于围绕期望的LOS角qd为控制目标，通过设计拦击导弹法向加速度am指令来控制LOS角q在导弹击中目标之前能够跟踪期望的LOS角qd，即q→qd，因而在导弹末制导终端，当弹目相对距离r→0时，会引起LOS角加速度的奇异情况，增加了控制难度，使得制导律的设计变得十分复杂，而且只能牺牲零距离击中目标的指标。为此，本专利技术提出了一种基于耦合PID镇定规则的末制导控制方法。该方法不仅是一种能够精确拦截目标的末制导控制方法，而且制导控制器具有结构简单、计算量小、实时性好的突出优势，能够实现以较大攻击角度和较大杀伤力精确拦截目标。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据弹目期望LOS角qd和实际LOS角q，建立跟踪误差e1及其误差的积分e0和微分e2分别为：其中，t是时间变量，是弹目LOS角速率；2)根据步骤1)和弹目相对运动系统，建立跟踪误差的二阶微分为：其中，是外部扰动，是时变控制系数，r与q分别是弹目相对距离和弹目LOS角，和是弹目相对距离变化率和LOS角速率，am和at分别表示导弹和目标的法向加速度，θm和θt分别表示导弹和目标的航迹角；3)考虑到根据步骤1)和2)，建立弹目LOS角跟踪期望LOS角的受控误差系统为：4)根据步骤3)定义基于耦合PID镇定规则的末制导控制系统的比例控制力up、积分控制力ui和微分控制力ud分别为：其中，是速度因子，且1≤α≤10，|ui|≤0.5um，um是导弹的最大法向加速度，tr是过渡过程时间；5)根据步骤3)和4)，由比例控制力up、积分控制力ui和微分控制力ud组合形成的末制导律为：其中，am是导弹法向加速度，且|ui|≤0.5um，|am|≤um。附图说明图1纵向平面弹目相对运动模型。图2基于耦合PID镇定规则的末制导控制系统。图3精确末制导结果，(a)拦截轨迹，(b)引导指令，(c)弹目相对距离，(d)攻击角轨迹，(e)视场角轨迹。具体实施方式1.弹目相对运动模型考虑二维纵向平面内的导弹末制导问题,如图1所示。设导弹M和目标T的速度是恒定的，分别记为vm和vt；r与q分别表示弹目相对距离和LOS角；θm和θt分别表示导弹和目标的航迹角；am和at分别表示导弹和目标的法向加速度；则弹目相对运动学模型为根据式(1)可推得LOS角加速度为由式(2)可知：at是未知的目标机动项，相当于外部扰动，设外部扰动时变控制系数因而系统(2)实际上是一个非线性时变扰动系统。特别是当弹目相对距离r→0时，会引起d→∞和b→∞，因而引起LOS角加速度的奇异情况。显然，根据非线性时变扰动奇异系统(2)来设计导弹的制导律am具有很大挑战性。为此，专利技术人提出了一种基于耦合PID镇定规则的末制导控制方法。为了便于分析，设q1＝q、根据系统(2)则有其中，是外部扰动，是时变控制系数，r与q分别是弹目相对距离和弹目LOS角，和是弹目相对距离变化率和LOS角速率，am和at分别表示导弹和目标的法向加速度。2.末制导系统控制原理2.1基于耦合PID镇定规则的末制导律设计设qd和q分别为弹目期望LOS角和实际LOS角，考虑到建立跟踪误差及其积分与微分分别为：e1＝qd-q，结合系统(3)，可得：考虑到因而弹目实际LOS角跟踪期望LOS角的受控误差系统如下：定义基于耦合PID镇定规则的比例控制力up、积分控制力ui和微分控制力ud分别为：其中，0<zc<∞是速度因子，且为：1≤α≤10，tr是过渡过程时间。为了避免因积分饱和引起超调与振荡现象，要求对积分控制力限幅：|ui|≤0.5um(7)其中，um是导弹的最大法向加速度。由比例控制力up、积分控制力ui和微分控制力ud组合形成的末制导律为其中，am是导弹的法向加速度，是时变控制系数，且|ui|≤0.5um，|am|≤um。导弹末制导拦截系统如图2所示。2.2.末制导系统稳定性分析定理1设扰动有界：|d|≤ε<∞，则当且仅当速度因子0<zc<∞时，基于耦合PID镇定规则的末制导系统是大范围鲁棒稳定的，并具有良好的抗扰动鲁棒性，且稳态误差理论上可以实现零脱靶量的拦截控制。证明：将式(8)形成的末制导律am代入受控误差系统(5)，可得末制导闭环控制系统如下：由系统(9)可知：弹目未知有界扰动d的任何变化，都会引起末制导控制系统中跟踪误差e1及其积分e0与微分e2感知反相变化，进而使得根据耦合PID镇定规则形成的比例控制力积分控制力和微分控制力3zce2形成反相的变化来抵消弹目未知有界扰动d的变化，使末制导控制系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据弹目期望LOS角q

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合PID镇定规则的精确末制导方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据弹目期望LOS角qd和实际LOS角q，建立跟踪误差e1及其误差的积分e0和微分e2分别为：
e1＝qd-q，
其中，t是时间变量，是弹目LOS角速率；
2)根据步骤1)和弹目相对运动系统，建立跟踪误差的二阶微分为：



其中，是外部扰动，是时变控制系数，r与q分别是弹目相对距离和弹目LOS角，和是弹目相对距离变化率和LOS角速率，am和at分别表示导弹和目标的法向加速度，θm和θt分别表示导弹和目标的航迹角；
3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾喆昭，
申请(专利权)人：曾喆昭，
类型：发明
国别省市：湖南;43