一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法与流程

本发明属于火箭，具体涉及一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法。

背景技术：

1、比例制导律作为一种经典的制导方法已经被广泛应用于各类制导火箭弹的制导系统设计中。但是，传统比例制导律存在着突防能力较弱、鲁棒性不强等问题，这些都对制导算法的性能提出了更高的要求。如果采用终端约束角度的方式来打击目标，一方面可以提升突防效果，另外也能优化毁伤效能，角度约束制导律是实现这种攻击方式的重要手段。

2、为了提升角度约束制导律性能，基于先进控制理论已开展了诸多研究。其中，为了提升角度约束制导律在目标机动、未建模动态等不确定干扰下的鲁棒性能，出现了基于滑模控制、自适应控制等方法的角度约束制导律。近年来，随着有限时间控制理论的发展，也出现了基于有限时间稳定方法的角度约束制导律。相比于传统渐进稳定方法，有限时间角度约束制导律可以实现制导误差的有限时间，保证了收敛的快速性与高精度。相比传统有限时间控制，固定时间控制方法的收敛时间上界与系统初值无关，因此可以有效解决传统有限时间控制中收敛速度受到系统初值影响的问题。另一方面，观测器技术的发展为开展部分状态可测的制导律设计提供了基础。

3、目前，主要存在两方面的问题导致有限时间角度约束制导律难以工程实现：1）其收敛时间与弹目初始状态有关，当初值较大时系统收敛速度无法保证；2）现有方法都是采用全状态反馈进行制导，而实际上，部分状态因其具有较高的测量成本而难以实现。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法，首先基于一致精确鲁棒微分器算法设计了一种固定时间状态观测器来估计不可测的系统状态；随后设计了固定时间收敛的积分滑模面，提出了固定时间制导律；相比于传统有限时间角度约束制导律，本发明方法不仅能够保证收敛时间上界不受初始状态影响，而且采用的部分状态反馈策略可以简化制导系统硬件组成，便于工程应用，有效解决前述角度约束制导律的两方面问题。最后，通过仿真验证了本方法所提出方法的有效性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、步骤1：构建系统1：

4、

5、其中为不确定干扰且满足，为正常数；为系统1的系统状态，、及为正常数；表示符号函数；

6、如果与同时满足如下参数域：

7、

8、则及将在有限时间内收敛到0；同时，收敛时间上界满足，其中为正常数且与初始状态及无关；

9、步骤2：构建系统2：

10、

11、其中为系统2的系统状态；如果常数参数满足，，，，，，且，同时系统2的初始状态是有界的，则系统2的系统状态在固定时间内收敛：

12、

13、

14、其中，为系统2的系统状态收敛时间；是一个与系统初始状态无关的正常数；

15、步骤3：制导系统方程建立；

16、步骤4：制导律设计。

17、进一步地，所述步骤3具体如下：

18、设表示目标，表示制导火箭弹，制导火箭弹的位置为，目标位置为；表示制导火箭弹的飞行速度，为目标的速度，与分别为制导火箭弹与目标的弹道倾角，为弹目相对距离，为视线角，与分别为制导火箭弹和目标的法向控制加速度；

19、制导火箭弹和目标的相对运动方程如下：

20、

21、设为期望角度，令角度误差，令，则得到制导系统方程如下：

22、

23、其中，表示角速度误差；表示干扰。

24、进一步地，所述步骤4具体如下：

25、步骤4-1：固定时间状态观测器设计；

26、基于系统1，设计如下的固定时间状态观测器：

27、

28、其中为正常数，及分别为与的估计值；与表达式如下：

29、

30、选取参数且与满足如下参数域，则估计误差与将在有限时间内收敛到0；同时，收敛时间上界满足，其中为正常数且与初始状态及无关：

31、

32、其中，表示干扰上界；

33、步骤4-2：基于固定时间稳定与部分状态反馈的角度约束制导律设计；

34、基于固定时间状态观测器的估计值，结合系统2，设计如下的固定时间收敛滑模面：

35、

36、其中，，且；为微分算子；、、、为设计参数；

37、对求取导数得：

38、

39、其中：

40、

41、最后，设计部分状态反馈固定时间制导律如下：

42、

43、其中、及为正常数，且，则系统状态固定时间收敛：

44、

45、

46、其中，表示状态收敛时间；是一个与系统初始状态无关的正常数。

47、本发明的有益效果如下：

48、本发明方法解决了制导系统收敛时间受初始状态影响的工程难题；且不依赖全状态反馈，降低了制导火箭弹弹载量测系统的需求，有利于简化组成、降低成本；同时该方法通过解析公式实现制导，无大规模运算，降低了弹载计算机实时解算能力需求。

技术特征：

1.一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法，其特征在于，所述步骤3具体如下：

3.根据权利要求2所述的一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：

技术总结本发明公开了一种固定时间收敛的制导火箭弹角度约束制导律设计方法，首先基于一致精确鲁棒微分器算法设计了一种固定时间状态观测器来估计不可测的系统状态；随后设计了固定时间收敛的积分滑模面，提出了固定时间制导律；相比于传统有限时间角度约束制导律，本发明方法不仅能够保证收敛时间上界不受初始状态影响，而且采用的部分状态反馈策略可以简化制导系统硬件组成，便于工程应用，有效解决前述角度约束制导律的两方面问题。最后，通过仿真验证了本方法所提出方法的有效性。技术研发人员：牛智奇,刘明喜,许琛,李延宁,苟秋雄,郭永翔,牛冰,王伟,潘迅,马乾才,苗劲松,符胜楠,田昊昌,韩迪,王磊受保护的技术使用者：西安现代控制技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/11