高階滑模制導律的設計與實現

馬克茂+董繼鵬+張金鵬

摘要：針對機動目標攔截問題，應用高階滑?？刂品椒?，設計了高精度制導律。在制導律設計過程中，針對目標機動，基于增廣比例導引設計了滑模變量，考慮二階彈體動態特性，設計了二階滑模制導律。應用高增益擴張狀態觀測器對制導信息進行估計，完成了制導律的實現。數值仿真結果驗證了方法的有效性。

關鍵詞：導彈；機動目標；制導律；高階滑?？刂?；高增益觀測器

中圖分類號：TJ765.3 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導過程中，影響制導精度的主要因素是目標的逃逸機動和導彈過載響應的彈體動態特性[1]。對于非機動目標，不考慮彈體動態特性的影響，比例導引是一定性能指標下的最優制導律[2]。對于針對機動目標攔截的情況，一種處理方法是將目標機動作為不確定外部擾動進行處理[3]，采用對不確定性具有適應性的控制方法，如滑?？刂品椒?，進行制導律設計。另一種處理方法是在比例導引的基礎上，對目標機動加速度進行前饋補償而構成增廣比例導引，則可以實現與比例導引相同的最優性能。在實際應用中，為實現這種最優性，需要解決兩個問題：一是目標機動加速度的估計問題；一是如何消除彈體動態特性的影響。針對目標機動加速度的估計問題，主要的解決思路是應用濾波方法[4]或狀態觀測器方法[5]。在考慮彈體動態特性的影響時，一般都是用一階或二階慣性環節來描述彈體的動態特性。文獻[6]考慮一階彈體動態特性，設計了針對機動目標的變結構制導律。由于彈體動態環節一般是高階系統，因此采用二階慣性環節進行建模，具有更大的實際意義[7]。

滑?？刂茝V泛應用于制導律的設計，但常規滑模系統要求的相對階為1，當考慮彈體動態特性的影響時，常規滑模制導律的設計存在一定的難度，而這一困難可以通過高階滑模進行克服[8]。在滑模制導律中引入等效控制，可以降低滑模制導律中切換控制量的幅值，進而改善制導系統的性能，但同傳統制導律相比，需要對更多的制導信息進行估計。

將高增益擴張狀態觀測器應用于制導信息的估計，可以利用高增益來保證估計精度和估計過程的快速收斂性，并通過觀測器狀態的擴張完成對目標機動加速度等制導信息的估計[9-11]。隨著觀測器增益的提高，可以實現對狀態反饋控制的性能復原，但測量噪聲的存在，實際應用中觀測器的增益受到限制[12]。

本文針對機動目標攔截問題，采用高階滑模方法進行制導律設計，以方便考慮高階彈體動態環節。對制導律中所需要的視線轉率、目標機動等制導信息，利用高增益擴張狀態觀測器進行估計。

摘要：針對機動目標攔截問題，應用高階滑?？刂品椒?，設計了高精度制導律。在制導律設計過程中，針對目標機動，基于增廣比例導引設計了滑模變量，考慮二階彈體動態特性，設計了二階滑模制導律。應用高增益擴張狀態觀測器對制導信息進行估計，完成了制導律的實現。數值仿真結果驗證了方法的有效性。

關鍵詞：導彈；機動目標；制導律；高階滑?？刂?；高增益觀測器

中圖分類號：TJ765.3 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導過程中，影響制導精度的主要因素是目標的逃逸機動和導彈過載響應的彈體動態特性[1]。對于非機動目標，不考慮彈體動態特性的影響，比例導引是一定性能指標下的最優制導律[2]。對于針對機動目標攔截的情況，一種處理方法是將目標機動作為不確定外部擾動進行處理[3]，采用對不確定性具有適應性的控制方法，如滑?？刂品椒?，進行制導律設計。另一種處理方法是在比例導引的基礎上，對目標機動加速度進行前饋補償而構成增廣比例導引，則可以實現與比例導引相同的最優性能。在實際應用中，為實現這種最優性，需要解決兩個問題：一是目標機動加速度的估計問題；一是如何消除彈體動態特性的影響。針對目標機動加速度的估計問題，主要的解決思路是應用濾波方法[4]或狀態觀測器方法[5]。在考慮彈體動態特性的影響時，一般都是用一階或二階慣性環節來描述彈體的動態特性。文獻[6]考慮一階彈體動態特性，設計了針對機動目標的變結構制導律。由于彈體動態環節一般是高階系統，因此采用二階慣性環節進行建模，具有更大的實際意義[7]。

滑?？刂茝V泛應用于制導律的設計，但常規滑模系統要求的相對階為1，當考慮彈體動態特性的影響時，常規滑模制導律的設計存在一定的難度，而這一困難可以通過高階滑模進行克服[8]。在滑模制導律中引入等效控制，可以降低滑模制導律中切換控制量的幅值，進而改善制導系統的性能，但同傳統制導律相比，需要對更多的制導信息進行估計。

將高增益擴張狀態觀測器應用于制導信息的估計，可以利用高增益來保證估計精度和估計過程的快速收斂性，并通過觀測器狀態的擴張完成對目標機動加速度等制導信息的估計[9-11]。隨著觀測器增益的提高，可以實現對狀態反饋控制的性能復原，但測量噪聲的存在，實際應用中觀測器的增益受到限制[12]。

本文針對機動目標攔截問題，采用高階滑模方法進行制導律設計，以方便考慮高階彈體動態環節。對制導律中所需要的視線轉率、目標機動等制導信息，利用高增益擴張狀態觀測器進行估計。

摘要：針對機動目標攔截問題，應用高階滑?？刂品椒?，設計了高精度制導律。在制導律設計過程中，針對目標機動，基于增廣比例導引設計了滑模變量，考慮二階彈體動態特性，設計了二階滑模制導律。應用高增益擴張狀態觀測器對制導信息進行估計，完成了制導律的實現。數值仿真結果驗證了方法的有效性。

關鍵詞：導彈；機動目標；制導律；高階滑?？刂?；高增益觀測器

中圖分類號：TJ765.3 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制導過程中，影響制導精度的主要因素是目標的逃逸機動和導彈過載響應的彈體動態特性[1]。對于非機動目標，不考慮彈體動態特性的影響，比例導引是一定性能指標下的最優制導律[2]。對于針對機動目標攔截的情況，一種處理方法是將目標機動作為不確定外部擾動進行處理[3]，采用對不確定性具有適應性的控制方法，如滑?？刂品椒?，進行制導律設計。另一種處理方法是在比例導引的基礎上，對目標機動加速度進行前饋補償而構成增廣比例導引，則可以實現與比例導引相同的最優性能。在實際應用中，為實現這種最優性，需要解決兩個問題：一是目標機動加速度的估計問題；一是如何消除彈體動態特性的影響。針對目標機動加速度的估計問題，主要的解決思路是應用濾波方法[4]或狀態觀測器方法[5]。在考慮彈體動態特性的影響時，一般都是用一階或二階慣性環節來描述彈體的動態特性。文獻[6]考慮一階彈體動態特性，設計了針對機動目標的變結構制導律。由于彈體動態環節一般是高階系統，因此采用二階慣性環節進行建模，具有更大的實際意義[7]。

滑?？刂茝V泛應用于制導律的設計，但常規滑模系統要求的相對階為1，當考慮彈體動態特性的影響時，常規滑模制導律的設計存在一定的難度，而這一困難可以通過高階滑模進行克服[8]。在滑模制導律中引入等效控制，可以降低滑模制導律中切換控制量的幅值，進而改善制導系統的性能，但同傳統制導律相比，需要對更多的制導信息進行估計。

將高增益擴張狀態觀測器應用于制導信息的估計，可以利用高增益來保證估計精度和估計過程的快速收斂性，并通過觀測器狀態的擴張完成對目標機動加速度等制導信息的估計[9-11]。隨著觀測器增益的提高，可以實現對狀態反饋控制的性能復原，但測量噪聲的存在，實際應用中觀測器的增益受到限制[12]。

本文針對機動目標攔截問題，采用高階滑模方法進行制導律設計，以方便考慮高階彈體動態環節。對制導律中所需要的視線轉率、目標機動等制導信息，利用高增益擴張狀態觀測器進行估計。