飞行器控制导引一体化设计方法研究

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1、飞行器控制导引一体化设计方法研究程继红（海军航空工程学院科研部，山东烟台，264001）摘要：介绍了飞行器控制导引一体化设计方法的研究现状及发展背景。提出了导弹控制导引一体化设计的性能要求。最后指出了当前飞行器控制导引一体化设计存在的主要问题和值得深入研究的方向。关键词：飞行器；控制；导引；一体化中图分类号：TJ765文献标识码：A能力也需一种更加定量的设计方法，以便协调导弹各子系统的关系，保证导弹武器系统的整体性能[9]。因而进行飞行器制导与控制一体化设计的研究就显得非常必要。本文主要以导弹为背景就飞行器的控制导引一体化设计方法的研究现状和发展背景作一介绍，提出导弹控制导引一

2、体化设计的性能要求，最后给出当前飞行器控制导引一体化设计存在的主要问题和深入研究的方向。0引言飞上天空、探索太空一直是人类的梦想，人类为了实现这一梦想的努力从来就没有停滞过。不过，直到1901年美国莱特兄弟的飞机试飞成功才真正实现了人类的飞行梦，揭开了人类探索空间的新篇章。经过一个世纪的发展，各种飞行器如雨后春笋般出现，从飞机、导弹到火箭、卫星，从宇宙飞船、航天飞机、空间站到月球探测器、火星探测器。近年来，扑翼飞行器，碟型飞行器，昆虫状飞行器，三栖飞行器，智能微型飞行器等新型飞行器[1-8]更是层出不穷。虽然有些飞行器还是人们头脑中的主观臆想，但是人们对新事物的执著追求和创新是

3、永远不会停息的，相信会有越来越多超乎想像的新颖飞行器在不久的将来飞上蓝天，飞向星际。飞行器的飞行一般包括控制飞行和导引（也称“制导”）飞行，飞行器能在空中按预定的轨迹运动总离不开它的控制系统和导引系统。设计飞行器（如飞机、导弹）制导和控制（自动驾驶仪）系统的传统方法是忽略它们之间的相互作用，分别单独地处理每个子系统，待每个子系统设计好以后，再将它们组合在一起。如果整个系统的性能不能令人满意，则单个子系统要重新进行设计，以改进组合系统的性能。尽管这种设计方法在过去被证明是有效的，但这种方法并不总能协调好各子系统之间的关系，不利于整个飞行器系统性能的提高，导致飞行器系统设计的保守性

4、，从而使飞行器系统笨重，造价也高。下一代导弹系统所要求具备的“直接碰撞杀伤”1飞行器控制导引一体化设计方法导弹的每一个子系统间都有相互作用，这种相互作用可以被开发用于优化导弹系统的整体性能。例如，具有较高精度的制导和控制系统可以使用更小的引信弹头。具有预测能力的制导规律可以降低自动驾驶仪对时间响应的要求。高带宽的自动驾驶仪能使制导系统更加有效。高品质的控制机构混合逻辑（BlendingLogic）能导致节省燃料的更精确的机动，从而增强自动驾驶仪性能。类似地，导引头视场和响应速度依赖于目标的敏捷性和导弹制导和控制系统的响应[9]。在导弹研制中，过去的做法一直是分别独立设计导弹的每

5、个子系统，然后再将各个子系统组合在一起。随后，为了达到期望的导弹武器系统性能，各个子系统要分别作修正设计。这一方法通常导致过量的反复设计，并且也并不总能协调好各子系统之间的关系，不利于全弹系统性能的提高[9，10]。为了提高导弹整体性能，文献[11-14]建议对制导回路与控制回路同时进行设计，称之为制导与控收稿日期：2005-12-20作者简介：程继红（1964−），男，副教授，硕士.·228·海军航空工程学院学报2006年第2期制一体化。控制回路由控制器和导弹组成，控制器用于使控制回路跟随给定的参考模型，制导规律用于考虑不确定性问题。J.Y.Choi[14]将控制回路状态方程

6、与制导回路状态方程合并为一个状态方程。这个非线性状态方程表示一体化制导与控制回路，它包含了控制回路动力学和目标加速度的不确定性，它对导弹的所有的飞行条件都是有效的。然后，再通过非线性变换将其变换为适合于反馈线性化设计的规范型。对此规范型，使用反馈线性化、滑动模控制理论和参数自适应技术（它用于补偿不确定性）推导一种非线性自适应制导规律，并分析了其稳定性。最后，通过对某实际导弹模型的数学仿真评估其性能，验证方法的有效性。一体化设计方法既具有提高导弹性能的潜力，同时又可以简化设计过程，降低导弹制造成本，使研制的导弹更轻巧，拦截目标也更准确。据美国海军水面作战中心研究报道，为对抗战术弹

7、道导弹（TBM—Tacticalballisticmissiles）和掠海飞行反舰导弹，下一代舰船防御导弹将极小脱靶量作为一项主要要求。因此，要开发两个关键技术，一个是开发先进的传感器技术，另一个是开发导弹制导、控制系统和引信弹头的一体化设计技术[15-17]。在航空航天工业领域，飞行器系统的一体化设计是一种新趋势。目前，DOD（美国国防部）和NASA（美国航空航天局）试图实现全飞行器设计中各学科间的优化，同时保留各子系统设计者的创新自由。在导弹技术中，制导、控制和引信弹头的一体化设计是与此