一种适用于高速拦截的滑模末制导律
张子健 徐 敏
(西北工业大学航天学院,西安710072)
摘 要 实际导弹系统存在一系列的参数不确定性及外部扰动,而利用滑模变结构系统具有的抗干扰和抗参数摄动特性,可以设计出对干扰具有很好鲁棒性的滑模制导律(SMG)。但目前广泛采用的基于零化视线角率的滑模制导律在用于高速(高超声速)拦截情况时,由于相对速度大,视线角率在零点振荡剧烈,很容易导致系统的发散。针对这一问题, (西北工业大学航天学院)设计了一种新型滑模制导律,其并不要求时时将视线角率控制为零,而是随着弹目标距离的减小,自动适当地放宽对视线角率的约束,从而有效缓解了传统滑模制导带来的强振荡问题。最后通过某高超声速拦截导弹的六自由度拦截仿真来说明这种滑模制导律的性能。与传统滑模制导律相比,在高速拦截时,其制导指令的振荡问题得到明显缓解,同时还保留了滑模系统的鲁棒特性。
关键词 高超声速飞行器 滑模制导 高速拦截 鲁棒性
中图法分类号 V448. 72 文献标识码 A
对于实际的导弹系统来说,由于飞行中空气动力学变化,以及关于目标信息测量和估计的误差,使得系统参数存在不确定性。在高速(高超声速)情况下,导弹及目标的不确定性因素更多,如复杂的流场影响、外部环境差异、热效应因素以及未知的目标加速度等等,另外还不可避免地受到噪声和振动等扰动的影响。对于高精度要求的拦截系统来说,就需要制导律对于不确定性具有鲁棒性。由于变结构控制方法(SMC)在理论上具有无可争辩的优势,特别是对参数摄动和外部扰动的鲁棒性,使得变结构控制在许多制导问题上获得了应用。20世纪90年代初,变结构制导方法被应用在大气层外拦截器的末制导设计中[1—3],随后又提出了一系列大气层内对抗大机动目标的变结构制导律[4—6]。现在工程上可实现的滑模变结构制导律(SMG)大都是利用准平行接近原理(即基于零化视线角速率)进行设计的。这种方法推导简单、物理意义明确、可实现性强,从而备受关注。但随着进一步的研究发现,这种基于零化视线角速率的滑模制导方法并不适用于高速(高超声速)拦截情况[7, 8],尤其是迎面拦截。因为视线角率在此种情况下,导弹与目标的相对速度极大,视线角率的变化也就极其剧烈,此时控制视线角率为零是很困难的。尤其随着弹目距离的缩短,视线角率在零点处的振荡幅度越来越大。仿真结果表明,这时的控制指令极易振荡发散,使得导弹实际过载,超出可用过载范围,进而导致整个制导系统的发散。
针对上述问题,同时为了保留滑模系统对于不确定性极好的鲁棒特性,本文提出了一种新型的滑模制导律。其并不是简单地要求时时零化视线角率,而是从碰撞拦截的约束条件出发,通过控制相对速度垂直于视线方向上的分量,放宽了对视线角率的约束。另外,随着弹目距离r的减小,能够自动的调节约束值。
1 拦截模型
仅考虑纵向平面内的运动,可以得到导弹拦截目标的平面运动动力学为
图中,实线和虚线分别显示的是本文所提出的新型滑模制导律和传统滑模制导律的仿真结果。由以上的比较可以看出,在高速拦截时,传统的基于零化视线角率设计的滑模制导律虽然可以使视线角率更趋近于零,但其产生的导弹过载指令振荡剧烈。相比之下,本文提出的新型滑模制导指令的振荡明显减弱,尤其是在制导末段。同时还保留了滑模系统的好的鲁棒特性,当目标存在机动时也能达到很好的拦截效果。
5 结论
本文针对传统的基于零化视线角率设计的滑模制导律不适用于高速(高超声速)拦截情况的问题,提出了一种新型的滑模制导律。这种制导律不要求视线角率时时为零,而是分析了碰撞拦截条件,选择了一种满足条件的不同以往的滑动模态,通过控制相对速度在垂直于视线上的分量来产生制导指令。与传统SMG指令相比,新的控制指令能够随着弹目距离的变化自动调节控制指令,从而抑制了系统振荡,改善了拦截制导控制效果。
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