基于控制分配的復合控制導彈制導控制一體化設計

李雨濤 李愛軍 張金鵬 張公平 劉祥 郭永

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.005

摘要：為了滿足現代戰爭對導彈更高的性能要求，本文將導彈制導與控制系統作為一個整體，進行一體化設計。以發動機引流直接力/氣動力復合控制的空空導彈為例，建立了俯仰通道一體化模型。針對直接力/氣動力復合控制方式的特點，設計了一種自適應反演滑模控制的制導控制一體化算法。利用控制分配將期望控制量映射到直接力裝置和升降舵面。仿真結果表明，本文所設計的一體化制導控制系統具有較強的魯棒性，可以實現精確制導與控制。

關鍵詞：空空導彈;復合控制;滑模控制;控制分配;制導控制一體化

中圖分類號：TJ765;V448文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2018）06-0032-07[SQ0]

0引言

空中戰爭的目標正逐漸變為高空、高速、大機動、具有智能逃逸和隱身技術的新型飛行器，這些目標對空空導彈的性能提出了更高的要求，尤其是攔截能力，要求空空導彈具備對機動目標“直接碰撞殺傷”能力[1]。為了滿足導彈制導與控制系統的性能要求，解決傳統設計方法中的不足，需要充分利用導彈制導系統與控制系統之間的相互作用，進行一體化設計。傳統設計方法存在制導系統與控制系統之間的指令傳輸延遲和導彈在接近目標時可能存在的固有不穩定性等問題，因而對導彈制導與控制一體化設計（IntegratedGuidanceandControl，IGC）方法的研究就顯得非常必要。

學者們在這方面已經做了大量的研究工作，董飛垚等[2]將傳統導彈的制導控制問題轉化成一個三階積分鏈系統，基于高階滑模控制理論對導彈進行制導與控制一體化設計;同時針對模型中存在目標機動等不確定性，采用超扭曲算法設計了補償控制律。畢永濤等[3]選擇零效脫靶量和彈體角加速度作為系統評價輸出，提出一種基于輸出穩定的復合控制策略。周覲等[4]考慮導彈自身的參數攝動和建模不確定性，應用高階滑模微分器和神經網絡模型進行在線逼近。Bhavnesh[5]等提出了一種基于連續時間預測控制的新型綜合制導控制方案。

另一方面，傳統的單純依靠氣動力的控制方案很難滿足導彈的發展需求，新的復合控制技術應運而生[6]。直接力/氣動力復合控制能補償導彈低動壓下的控制能力，使中遠距空空導彈獲得與格斗彈相同的離軸發射甚至越肩發射能力，實現遠距攔射與近距格斗的結合，同時還能顯著降低自動駕駛儀的響應時間[7]，從而提高制導回路的響應速度，實現對新型飛行器的高精度攔截。

舒燕軍等[8]利用動態面反步法進行制導與控制一體化設計，同時設計了非線性干擾觀測器對

復合控制導彈制導控制一體化模型中存在的不確定性進行估計和補償。王昭磊等[9]利用滑模反演

控制方法針對姿控式復合控制導彈進行制導與控制一體化設計，同時構造自適應誤差滑模面來不斷逼近誤差和有界干擾。

本文以發動機引流直接力/氣動力復合控制空空導彈為例，對其控制系統與制導系統設計方法進行了深入研究。針對直接力/氣動力復合控制方式的特點，基于滑模控制、反演控制和控制分配方法設計了直接力/氣動力復合控制空空導彈俯仰通道制導與控制一體化控制算法。

空導彈俯仰通道進行制導控制一體化設計。首先建立了直接力/氣動力復合控制空空導彈俯仰通道制導控制一體化模型，將其處理為嚴格反饋的三階系統。然后在考慮氣動參數的不確定性和目標存在機動的情況下，采用自適應反演滑模控制方法對復合控制空空導彈進行制導控制一體化設計。仿真結果表明，該方法能夠很好地處理目標機動和氣動參數攝動等不確定性，使直接力/氣動力復合控制空空導彈能夠獲得較高的制導控制精度。

參考文獻：

[1]朱楓，韓曉明，何小九.新型反戰術彈道導彈攔截殺傷技術—直接撞動能殺傷[J].飛航導彈，2017（2）：3-9.

ZhuFeng，HanXiaoming，HeXiaojiu.NewTechnologyforInterceptingandDamagingTBM[J].AerodynamicMissileJournal，2017（2）：3-9.（inChinese）

[2]董飛垚，雷虎民，周池軍，等.導彈魯棒高階滑模制導控制一體化研究[J].航空學報，2013，34（9）：2212-2218.

DongFeiyao，LeiHumin，ZhouChijun，etal.ResearchofIntegratedRobustHighOrderSlidingModeGuidanceandControlforMissiles[J].ActaAeronauticaletAstronauticsSinica，2013，34（9）：2212-2218.（inChinese）

[3]畢永濤，姚郁，馬克茂.具有直接側向力的攔截導彈復合制導控制設計[J].宇航學報，2010，31（11）：2496-2502.

BiYongtao，YaoYu，MaKemao.BlendedGuidanceandControlStrategyDesignforInterceptorMissilewithLateralJets[J].JournalofAstronautics，2010，31（11）：2496-2502.（inChinese）

[4]周覲，雷虎民，李炯.基于神經網絡的導彈制導控制一體化反演設計[J].航空學報，2015，36（5）：1661-1672.

ZhouJin，LeiHumin，LiJiong.IntegratedMissileGuidanceandComtrolDesignBasedonNeuralNetworkandBackSteppingControlTheory[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36（5）：1661-1672.（inChinese）

[5]BhavneshP，NileshM，TaloleSE.ContinuousTimePredictiveControlBasedIntegratedGuidanceandControl[J].JournalofGuidance，Control，andDynamics，2017，40（7）：1-17.

[6]佟鑫.軌控式直/氣復合導彈控制與制導方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2015.

TongXin.ResearchonGuidanceandControlforMissilewithAerodynamicandThrust[D].Harbin：HarbinEngineeringUniversity，2015.（inChinese）

[7]魏明英.直接側向力與氣動力復合控制技術綜述[J].現代防御技術，2012，40（1）：52-54.

WeiMingying.SummaryofBlendedControlTechnologyforMissileswithLateralJetsandAerodynamicSurfaces[J].ModernDefenceTechnology，2012，40（1）：52-54.（inChinese）

[8]舒燕軍，唐碩.軌控式復合控制導彈制導與控制一體化反步設計[J].宇航學報，2013，34（1）：79-85.

ShuYanjun，TangShuo.IntegratedGuidanceandControlBacksteppingDesignforBlendedControlMissileBasedonNDO[J].JournalofAstronautics，2013，34（1）：79-85.（inChinese）

[9]王昭磊，王青，冉茂鵬，等.基于自適應模糊滑模的復合控制導彈制導控制一體化反演設計[J].兵工學報，2015，36（1）：78-86.

WangZhaolei，WangQing，RanMaopeng，etal.IntegratedGuidanceandControlBacksteppingDesignofBlendedControlMissileBasedonAdaptiveFuzzySlidingModeControl[J].ActaArmamentarii，2015，36（1）：78-86.（inChinese）

[10]賀風華，馬克茂，姚郁.基于輸出預測的姿控發動機控制律優化設計[J].航空學報，2009，30（6）：1131-1137.

HeFenghua，MaKemao，YaoYu.OutputPredictionBasedOptimizationDesignofMissileAttitudeControlbyLateralJets[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2009，30（6）：1131-1137.（inChinese）

[11]林德福.戰術導彈自動駕駛儀設計與制導律分析[M].北京：北京理工大學出版社，2012：17-18.

LinDefu.AutopilotDesignandGuidanceLawAnalysisforTacticalMissiles[M].Beijing：BeijingInstituteofTechnologyPress，2012：17-18.（inChinese）

[12]閔穎穎，劉允剛.Barbalat引理及其在系統穩定性分析中的應用[J].山東大學學報：工學版，2007，37（1）：51-55，114.

MinYingying，LiuYungang.BarbalatLemmaandItsApplicationinAnalysisofSystemStability[J].JournalofShandongUniversity：EngineeringScience，2007，37（1）：51-55，114.（inChinese）

[13]占正勇，劉林.多操縱面先進布局飛機控制分配技術研究[J].飛行力學，2006，24（1）：13-16.

ZhanZhengyong，LiuLin.ControlAllocationforHighPerformanceAircraftwithMultiControlEffectors[J].FlightDynamics，2006，24（1）：13-16.（inChinese）

[14]李波.過驅動航天器姿態控制分配研究[D].天津：中國民航大學，2013.

LiBo.AttitudeControlAllocationResearchforOverActuatedSpacecraftSystem[D].Tianjin：CivilAviationUniversityofChina，2013.（inChinese）

[15]趙玉杰，廖志忠，段朝陽，等.基于終端滑模的直接力/氣動力復合控制系統設計[J].導航定位與授時，2015，2（3）：49-54.