基于动态二阶滑模控制算法的导弹自动驾驶仪设计
尚安利1,2,于德海3,顾文锦2
(1•海军工程大学电力电子技术研究所,湖北武汉430033; 2•海军航空工程学院自动控制系,山东烟台264001;3•海军航空工程学院教育技术中心,山东烟台264001)
摘要:尾控型侧滑转弯(STT)导弹过载输出跟踪模型具有非最小相位的特性,系统的零动态或内部动态不稳定,所以不能直接应用反馈线性化和滑模控制等算法设计导弹过载输出控制器。
为了设计方便,首先将导弹数学模型的线性部分进行规范形转化;然后将输出跟踪问题转化为状态跟踪问题,则可采用滑模控制设计自动驾驶仪。通过构造动态滑模输出,使得系统零动态稳定;采用全局二阶滑模控制来消除抖振。仿真结果表明,所提出的方法可使导弹的输出过载准确跟踪制导指令,而且切换抖动得到有效抑制。
关键词:自动控制技术;二阶滑模;非最小相位;零动态;抖振
中图分类号:V249; TJ765•2文献标志码:A文章编号:1000-1093(2006)01-0050-04
引言
对于尾控型导弹,导弹过载输出和舵偏之间的动力学存在非最小相位特性[1],则系统的内部动态或零动态是不稳定的。这样,在自动驾驶仪设计中,限制了非线性控制和滑模控制算法的直接应用。另外,参数大范围急剧变化和耦合因素的影响,也给自动驾驶仪设计带来很大困难。由于非最小相位特性是输入输出之间的关系,文献[2-3]首先采用输出重定义方法,文献[4-5]将该方法应用于尾控型导弹的控制系统设计。另外,滑模控制是一种较为理想的鲁棒控制方法,且对于动态滑模控制,由于其滑模面与系统状态之间的关系为动态的,而非单纯的线性关系,即线性动态算子作用在状态和输出跟踪误差上而构成动态滑模流形,这样可以获得期望的输出响应,且抑止非匹配扰动对稳态误差的影响[6]。
基于上述原因,本文通过构造适当的动态滑模面,使得控制系统在状态跟踪基础上达到输出跟踪的效果,且具有稳定的零动态。采用全局二阶滑模控制[7](在有限时间内,滑模面σ满足σ=0,σ•=0),可及时调节控制器参数,有效地抑制抖动。另外,由于弹体为轴对称结构,航向通道与俯仰通道气动特性相近,有关航向通道的自动驾驶仪的设计问题,在此不再赘述。
1 导弹的动力学模型
对于小攻角和侧滑角,包含执行机构的尾控型侧滑转弯(STT)导弹俯仰通道动力学模型为[8-9]
设计STT自动驾驶仪的目的是产生(y,z)方向过载,同时保持滚转率非常小。
2 设计动态二阶滑模控制驾驶仪
2•1 导弹模型的转化
现以导弹简化模型(1)式来设计其自动驾驶仪,既然导弹俯仰和航向动力学特性相似,则航向通道与俯仰通道设计方法相似,这里仅考虑俯仰通道自动驾驶仪设计。首先进行坐标变换,将模型(1)式的线性部分转换为规范形,这样可以更好区分系统的不稳定的零动态,这样分析系统更方便。下面通过坐标变换
4 结束语
本文对某型轴对称尾控超音速反舰导弹的过载进行控制,通过构造合适的动态滑模输出,使得构造后的系统零动态为稳定的系统。在此基础上,采用二阶滑模控制律,既提高了系统的鲁棒性,又有效地消除了滑模控制所固有的抖振现象,且消除了非匹配扰动的影响。而且控制律完全基于被控对象参数变化的上下界,无需对系统进行在线参数辨识,从而提高了设计的准确性,增强了系统的鲁棒性。仿真表明,所采用的自动驾驶仪设计方法是可行的。
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