基于導(dǎo)引控制一體化設(shè)計(jì)的水下攔截器迎面攔截最優(yōu)制導(dǎo)律

楊惠珍, 王 迪, 呂 瑞

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基于導(dǎo)引控制一體化設(shè)計(jì)的水下攔截器迎面攔截最優(yōu)制導(dǎo)律

楊惠珍1,3, 王 迪1,3, 呂 瑞2,3

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 3. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710072)

針對(duì)水下攔截器精確制導(dǎo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求, 提出了一種迎面攔截的水下攔截器導(dǎo)引控制一體化最優(yōu)控制方法。根據(jù)水下攔截器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程和攔截器動(dòng)力學(xué)方程建立了導(dǎo)引控制一體化數(shù)學(xué)模型, 采用輸出調(diào)節(jié)器方法設(shè)計(jì)了導(dǎo)引控制一體化最優(yōu)控制器, 利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的視線角和攔截器姿態(tài)信息計(jì)算出水下攔截器的舵控制指令, 使得視線角收斂至期望值, 從而實(shí)現(xiàn)迎面攔截。仿真結(jié)果表明, 所提出的迎面攔截制導(dǎo)律迎面攔截效果明顯。文中的研究可為水下攔截器的制導(dǎo)系統(tǒng)研制提供理論依據(jù)與參考。

水下攔截器; 導(dǎo)引控制一體化; 最優(yōu)控制; 輸出調(diào)節(jié)器

0 引言

水下攔截器是現(xiàn)代艦艇防御系統(tǒng)中的重要組成部分, 作為主動(dòng)防御型硬殺傷武器, 已成為當(dāng)前各國(guó)海軍研究和發(fā)展的重點(diǎn)武器之一。由于攔截目標(biāo)為來(lái)襲魚(yú)雷, 相較于艦艇而言, 具有速度快、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn), 攔截器與來(lái)襲目標(biāo)對(duì)抗時(shí)間短, 從而要求水下攔截器的導(dǎo)引和控制系統(tǒng)具有精確制導(dǎo)的能力[1]。

傳統(tǒng)導(dǎo)引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1。導(dǎo)引系統(tǒng)根據(jù)攔截器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)生成過(guò)載指令, 控制系統(tǒng)根據(jù)該指令產(chǎn)生舵偏指令, 從而改變攔截器的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡, 使攔截器命中目標(biāo)。

如圖1所示, 傳統(tǒng)制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法忽略了導(dǎo)引系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)之間的耦合作用, 將兩回路分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì), 要求內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)小于外環(huán)系統(tǒng), 否則易出現(xiàn)響應(yīng)滯后等現(xiàn)象, 造成整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn), 無(wú)法保證命中目標(biāo)。導(dǎo)引控制一體化(integrated guidance and control, IGC)的主要設(shè)計(jì)思想則是將導(dǎo)引與控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì), 充分考慮攔截器的姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)引系統(tǒng)的影響, 見(jiàn)圖2。

一體化控制器綜合導(dǎo)引回路與控制回路的作用, 根據(jù)目標(biāo)-攔截器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和攔截器的姿態(tài)信息計(jì)算舵偏指令, 在理論上保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 并且能夠提高系統(tǒng)制導(dǎo)精度, 達(dá)到精確打擊目標(biāo)的目的[2]。

IGC設(shè)計(jì)方法在空間攔截器領(lǐng)域有很多相關(guān)研究成果, 其設(shè)計(jì)思路是首先構(gòu)建攔截器的導(dǎo)引控制一體化模型, 然后采用滑模控制[3-4]、最優(yōu)控制[5]、自抗擾控制[6]、非線性反演控制[7]等方法設(shè)計(jì)一體化控制器。然而在水下攔截器研究領(lǐng)域, 關(guān)于IGC問(wèn)題的研究還未見(jiàn)報(bào)道。

由于水下目標(biāo)探測(cè)一般采用水聲探測(cè)方式, 水聲自導(dǎo)頭安裝在攔截器的頭部, 其探測(cè)范圍和探測(cè)精度均受到一定的限制。因此, 采用迎面攔截方式有利于攔截器更準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)信息, 從而提高目標(biāo)攔截的成功率, 實(shí)現(xiàn)有效的防御。迎面攔截可以描述成帶終端角約束的制導(dǎo)律設(shè)計(jì)問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]綜述了終端角約束的制導(dǎo)律研究成果和未來(lái)的應(yīng)用方向。文獻(xiàn)[9]基于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法, 考慮了末端滿足視線角趨于期望命中姿態(tài)角的約束條件, 從而得到零脫靶量和終端角約束的打擊效果。文獻(xiàn)[10]采用擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)進(jìn)行有效估計(jì), 設(shè)計(jì)了基于滑?？刂频慕K端角約束導(dǎo)引律, 并利用邊界層法對(duì)導(dǎo)引律進(jìn)行改進(jìn)從而提高系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[11]采用自適應(yīng)冪次趨近律結(jié)合非奇異終端滑模面, 設(shè)計(jì)了一種帶落角約束的末制導(dǎo)律, 并利用有限時(shí)間控制理論給出了求解收斂時(shí)間的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用模糊邏輯處理落角約束變結(jié)構(gòu)控制中出現(xiàn)的抖動(dòng)問(wèn)題,針對(duì)大機(jī)動(dòng)目標(biāo)攔截時(shí), 運(yùn)用BP(ba- ck propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]研究了自適應(yīng)比例導(dǎo)引律, 通過(guò)對(duì)導(dǎo)航系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的有效攔截, 不僅可滿足終端角約束, 而且可以實(shí)現(xiàn)全向攻擊。文獻(xiàn)[14]利用拉格朗日法, 構(gòu)建帶有落角約束的導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程, 基于最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了導(dǎo)引律, 并指出了制導(dǎo)系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)滯后對(duì)脫靶量和落角誤差的影響。文獻(xiàn)[15]應(yīng)用Schwarz不等式, 分布研究了控制系統(tǒng)為1階慣性環(huán)節(jié)和無(wú)慣性環(huán)節(jié)情況下帶落角約束的任意加權(quán)最優(yōu)控制律, 得到制導(dǎo)律的一般表達(dá)式, 并可根據(jù)不同制導(dǎo)目的, 通過(guò)改變加權(quán)函數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的制導(dǎo)律。文獻(xiàn)[16]針對(duì)機(jī)動(dòng)彈頭垂直打擊目標(biāo)的要求, 設(shè)計(jì)了基于最優(yōu)控制和滑模控制的復(fù)合導(dǎo)引律, 并采用徑向基函數(shù) (radial basis function, RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)增益項(xiàng)的方法來(lái)減小控制量的抖振和能量損耗。

文中針對(duì)水下攔截器精確制導(dǎo)要求, 研究了一種基于導(dǎo)引控制一體化設(shè)計(jì)的水下攔截器迎面攔截最優(yōu)制導(dǎo)律[17]?；谒聰r截器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程和攔截器水平面?zhèn)认蜻\(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型, 建立了水下攔截器導(dǎo)引控制一體化數(shù)學(xué)模型, 采用無(wú)限時(shí)間輸出調(diào)節(jié)器最優(yōu)控制方法設(shè)計(jì)了迎面攔截制導(dǎo)律。仿真結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的IGC一體化控制器能夠使彈道偏角收斂至期望值, 實(shí)現(xiàn)了迎面攔截。

1 導(dǎo)引控制一體化數(shù)學(xué)模型

1.1 水下攔截器與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)

1.2 水下攔截器導(dǎo)引控制一體化數(shù)學(xué)模型

半速度坐標(biāo)系下水下攔截器側(cè)向運(yùn)動(dòng)方程[18]

1.3 迎面攔截的水下攔截器IGC模型

2 基于IGC設(shè)計(jì)的迎面攔截制導(dǎo)律

對(duì)于式(14), 取系統(tǒng)的性能指標(biāo)

式中:,是正定實(shí)對(duì)稱矩陣。

當(dāng)系統(tǒng)可控可觀時(shí), 存在使性能指標(biāo)極小的唯一最優(yōu)控制為

3 仿真結(jié)果與分析

圖6~圖8分別是態(tài)勢(shì)A情況下的攔截軌跡、水下攔截器的姿態(tài)變化圖及方位角變化軌跡圖, 圖9~圖11則是態(tài)勢(shì)B情況下的仿真結(jié)果圖。表1列出了2種態(tài)勢(shì)下, 比例導(dǎo)引法和迎面攔截最優(yōu)制導(dǎo)法在命中時(shí)刻的時(shí)間、攔截器彈道傾角以及脫靶量。

圖6 水下攔截器與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡圖(態(tài)勢(shì)A)

圖8 方位角變化范圍(態(tài)勢(shì)A)

Fig.8 Variation range of azimuth in situation A

表1 命中參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

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(下轉(zhuǎn)第246頁(yè))

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

An Optimal Head-on Guidance Law for Integrated Guidance and Control of Underwater Interceptor

YANG Hui-zhen1,3, WANG Di1,3, LüRui2,3

(1. College of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 3.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710072, China)

This paper proposes an optimal head-on control approach for integrated guidance and control of an underwater interceptor by considering the design requirements of precise guidance system for the underwater interceptor. An integrated guidance and control model is established based on the kinetic equation of relative motion and hydrodynamic equation of the underwater interceptor. Using the output regulator method, an optimal controller for the integrated guidance and control system is developed. This controller calculates the rudder control command with the data of sight line angle and interceptor’s attitudes to achieve the purpose of head-on intercepting target by making the sight line angle converge to the desired value. Simulation results show the effectiveness of the proposed head-on guidance law. This research may provide a theoretical basis and a reference for development of guidance system for the underwater interceptor.

underwater interceptor; integrated guidance and control; optimal control; output regulator

楊惠珍, 王迪, 呂瑞. 基于導(dǎo)引控制一體化設(shè)計(jì)的水下攔截器迎面攔截最優(yōu)制導(dǎo)律[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3): 228-233.

TJ63; TJ765

A

2096-3920(2018)03-0228-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.007

2018-03-09;

2018-06-08.

楊惠珍(1974-), 女, 副教授, 博士, 主要研究方向?yàn)樽灾魉潞叫衅髦茖?dǎo)與控制技術(shù).