基于ADRC與QFT技術的滾轉導彈復合魯棒控制

摘 要：滾轉是導彈突破定向能武器攻擊的一種有效手段。滾動通道的主要任務是克服外擾的影響，給彈體提供精確的滾轉角速度，這里將通過一個自抗擾控制器(ADRC)實現這一目的。針對俯仰-偏航通道，設計了一個基于定量反饋理論(QFT)的控制器，以克服通道間的運動耦合及參數的大范圍變化，準確跟蹤姿態指令。數字仿真結果表明，這種復合控制器具有很強的魯棒性及良好的動態性能。

關鍵詞：導彈; 滾轉; 魯棒控制; ADRC; QFT

中圖分類號：TN973.2-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0021-04

Hybrid Robust Control Based on ADRC and QFT Technology for Spinning Missile

WANG Zhi1， WU Hong-fang2

(1.Northwestern polytechnical university， Xi’an 710032， China; 2.Luoyang Photoelectric Technology Development Center， Luoyang 471009， China)

Abstract： Roll is an effective means to penetrate directed energy weapon′s attack. The main tasks of the roll channel are to overcome the impact of external interference， and to provide the missile with an accurate roll angular velocity. In this paper， this goal will be achieved through an auto disturbances rejection controller (ADRC). For the pitch-yaw channel， a controller based on quantitative feedback theory (QFT) is designed to overcome the movement couplings between channels and a wide range of parameter changes， to accurately track attitude commands. Digital simulation results show that the composite controller has strong robustness and good dynamic performance.

Keywords： missile; roll; robust control; ADRC; QFT

0 引 言

隨著定向能武器(如激光武器)的不斷研制和開發，使其技術越來越成熟，因而已經對彈道導彈構成現實的威脅。應對這種威脅的方法之一是使導彈沿彈軸旋轉，以便使激光光斑在彈體表面沿環向移動，從而提高抗激光的殺傷能力。

在導彈滾轉過程中，滾轉角速度的可選擇范圍其實是相當狹窄的，甚至必須在彈道上的不同點選擇不同的額定值，這主要由下面的因素決定，即滾轉角速度下限不應低于抗激光殺傷要求的最小速度；滾轉角速度上限不應高于導致控制失穩的臨界速度。綜合考慮，導彈的額定滾轉角速度一般限制在1~2 rad/s范圍內。自抗擾控制器(Auto-Disturbances-Rejection Controller，ADRC)能夠解決存在不確定性及擾動的系統控制問題［1-2］，本文將基于ADRC方法來完成滾速的精確控制。 相對以正常方式飛行的導彈而言，滾轉導彈的姿態控制更為復雜，面對的條件也更惡劣，不僅存在運動參數的大范圍攝動與內、外干擾的影響，通道間的交連耦合也加大了姿態控制失穩的可能，導致常規PD控制參數的適用范圍減小，可靠性降低。本文采用經典的頻域回路成形技術，設計基于定量反饋理論(Quantitative Feedback Theory，QFT)［3-4］ 的控制器實現姿態角的準確跟蹤，在系統獲得對參數變化和外部干擾魯棒性的同時，保持良好的動態性能。

1 基于ADRC的滾轉角速度控制

在自旋方式下，彈體姿態運動的滾轉與俯仰-偏航之間的耦合較弱，并且滾轉力矩是由獨立的噴管差動分量來提供的，因此滾動通道的設計可以獨立出來，它的目的是給導彈提供一個額定的滾轉速度，確保抗激光的殺傷能力。考慮到不確定性，滾動通道的數學描述如下：

3 數字仿真與分析

以某型導彈在氣動力矩系數最大時刻的飛行參數為準進行數字仿真，給定的控制任務是克服參數變化以及外部風擾等因素的影響，保持彈體以額定速度滾轉，并準確跟蹤姿態指令。

3.1 滾動通道

滾動通道運動參數為：

轉動慣量J=diag{93.5，10 382.17，10 503.25}×103 kg#8226;m2，推力P=12 067 kN。給出額定滾轉角速度為：

比較圖6與圖7可以看到，在氣動參數存在大范圍攝動的情況下，QFT控制器能夠保證滾轉導彈穩定飛行，且跟蹤特性基本保持不變，具有很強的魯棒性。圖中顯示，由于系統結構的固有原因，姿態角跟蹤出現了相位誤差與幅值誤差，適當增加QFT前饋控制器的靜態增益，可以減小幅值誤差(對相位誤差影響不大)。

4 結 論

導彈滾轉飛行的目的是對抗定向能武器的毀傷，滾轉角速度必須控制在一個相當狹窄的范圍內。本文采用自抗擾控制器來解決參數不確定性及擾動影響的問題，實現滾速的精確控制。

在姿態控制方面，設計的QFT控制器具有很強的魯棒性，能夠適應參數的大范圍攝動，控制效果良好。需要說明的是，QFT控制不適合某些以較高滾速(3 rad/s以上)旋轉的導彈，在這種情況下，控制器將引起嚴重相位滯后。

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作者簡介： 王 志 男，1972年出生，河南焦作人，博士。主要研究方向為飛行器導航、制導與控制。