微型导弹变结构自适应抗干扰控制方法研究

李栋臣

江南机电设计研究所  贵州贵阳  550000

摘要：微型导弹具有尺寸小、重量轻、转动惯量小的特点，对干扰非常敏感；其飞行动力学模型具有高度的非线性特性，且气动参数具有不确定性，难以建立精确的数学模型；为实现其姿态、角速度的精确鲁棒控制，基于自适应抗干扰控制方法设计了微型导弹的角速度回路和过载回路的控制器。本文首先采用“系数冻结法”将控制系统模型变系数线性系统简化为常系数线性系统，并通过合理的变结构参数设计实现了两种回路结构的平稳过渡；通过仿真对所设计的控制器进行性能验证，结果表明自抗扰控制器能够实现对微型导弹的快速稳定控制，且不依赖于精确的弹体数学模型，具有良好的鲁棒性。

关键词：自适应抗干扰 变结构 快速稳定控制

1引言

微型导弹具有尺寸小、重量轻、转动惯量小的特点，对干扰非常敏感；其飞行动力学模型具有高度的非线性特性，且气动参数具有不确定性，难以建立精确的数学模型；为实现其姿态、角速度的精确鲁棒控制，基于自适应抗干扰控制方法设计了微型导弹的角速度回路和过载回路的控制器。

本文首先采用“系数冻结法”将控制系统模型变系数线性系统简化为常系数线性系统，并通过合理的变结构参数设计实现了两种回路结构的平稳过渡；通过仿真对所设计的控制器进行性能验证，结果表明自抗扰控制器能够实现对微型导弹的快速稳定控制，且不依赖于精确的弹体数学模型，具有良好的鲁棒性。

2系统模型及控制方法研究

2.1.刚性弹体俯仰运动模型

本文对刚性弹体侧向稳定控制回路的设计采用基于现代控制理论的全状态反馈法。首先建立导弹侧向运动环节的传递函数：

              (1.)

对式（1）在平衡点进行小扰动线形化，则有：

                   (2.)

式中为气动阻尼系数，为导弹的静稳定系数；为导弹的舵效率系数；为导弹的推力升力系数；为舵升力系数；为攻角；为弹道倾角；为俯仰角；为舵偏角，为导弹质量，为导弹长度、为导弹参考面积，为重力加速度，为速压，为转动惯量。

2.2.可控性分析

根据(2)的刚性弹体弹性俯仰运动方程式消去和，得到如下方程：

                   (3.)

写成状态方程形式为：

                              (4.)

上式中：

；；；；（5）

系统完全可控的充分必要条件是：，由式（4）得

（6）

分析弹道数据，特征矩阵满秩，即，表示系统可控，可以通过状态反馈的方式对微弹进行控制。

2.3.稳定控制回路结构

状态反馈法实质是采用系统的状态反馈来配置系统的极点，使得系统的性能满足期望的性能指标。这种控制系统的设计方法，主要根据对控制系统的指标要求如过渡时间、超调量、半振荡次数等，确定系统期望的极点位置，并依据极点位置和系统状态方程确定反馈增益（反馈系数），从而设计出导弹侧向稳定控制系统。下面就介绍其设计的基本原理，俯仰稳定控制系统原理结构如图1所示：

图1 稳定控制回路结构图

图中为控制指令，为过载响应，为侧向角速度，、、和为调参参数。

舵偏角到过载的传递函数为：

            (5)

舵偏角到角速度的传递函数为：

                   (6)

三阶期望特征多项式为：

                  (7)

其中，参数、、为设计参数。

现在对图1进行结构转换，将校正网络参数放在反馈通道上，如图2：

图2 变结构后的稳定控制回路结构图

当时，回路结构变为图5所示的双环稳定控制回路结构。这样可以通过设计控制实现双环稳定控制和三环稳定控制两种回路结构的平稳切换，调整后的控制回路回路定结构如图3：

图3 双环稳定控制回路结构图

双环稳定回路结构的特点是，在气动数据不够准确无法建立精确地弹体模型时，仍可以保证足够的幅相稳定裕度，特别适用于微型导弹的高速段的稳定控制。微型导弹的转动惯量很小，很容易受到出筒扰动等干扰力的影响，且在低速段时气动力相比发动机推力比较小，为了更好更快的稳定导弹，在低速段较宜采用三环稳定控制结构。同时三环结构中有可能出现穿零的情况，当为负数时，内环变为正反馈，会导致过载响应指令情况变差。为此设计中对进行了保护设计。

3仿真验证

以某一特征点为例，特征点参数见表1：

表1特征点参数

序号
1	2.18374	155.0273	-334.653	2.40052	0.04901	139.01	11823.34	0.409

图2为单位阶跃指令下过载响应曲线。

图4单位阶跃响应曲线

图5 指令-过载响应曲线

4结语

本文根据微型导弹的特点，建立刚性弹体俯仰运动模型，选取1个特征点进行定点设计，数字仿真检验结果仿真表明，微型导弹侧向稳定控制回路的相裕度、幅裕度等技术指标符合稳定控制回路设计要求，通过合理的变结构参数设计实现了两种回路结构的平稳过渡，能够抑制住各种干扰，实现对微型导弹的快速稳定控制，具有良好的鲁棒性。

参考文献

[1] 唐蕊.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展.控制理论与应用,2012.

[2] 沈永福，李呈良，邓方林.基于变结构理论的飞机俯仰通道设计.弹箭与制导学报,2002.

[3] 邱亚男，王建琦，贾晓洪.基于PSO算法的自动驾驶仪控制参数设计.航天控制,2009.