答辩题目：视场约束下的攻击角度控制制导方法研究
答辩人：刘柏均
答辩时间：2021年11月21日，15:00-17:00
答辩地点：西工大创新大厦A座1204
答辩内容简介：
导弹制导律是导引导弹飞向目标的轨迹控制算法，制导律设计是保证导弹按照预定要求完成打击任务的核心技术。随着材料科学和制造技术不断进步，地面及水面军事装备（例如坦克、舰船等）已增强其装甲防护力，这对导弹有效摧毁目标的能力提出更高要求。一方面，控制导弹以一定攻击角度精确击中目标的防御薄弱点能够显著提高导弹毁伤效果。另一方面，配置捷联式导引头的导弹视场范围狭窄，如果弹目视线落在导引头视场以外，将造成目标丢失，导致制导任务失败。因此同时考虑攻击角度控制和导引头视场范围约束的制导律能够综合地保证导弹的毁伤力和制导任务的成功率。本文针对视场约束下的攻击角度控制制导律设计问题展开深入研究，面向地面及水面固定、运动目标，基于完全非线性的制导系统模型设计多种无切换的解析制导算法。论文的主要工作内容包括如下四个方面:
1.将视场约束下的攻击角度控制制导问题转化为含状态约束的非线性系统跟踪控制问题，基于修正双曲正切函数和非对称非线性映射提出面向运动目标的二维制导律。将攻击角度控制转化为弹目视线角控制，并将视场约束转化为垂直视线方向上弹目相对速度的时变幅值约束，从而将制导律设计问题转化为含部分状态约束的非线性二阶系统跟踪控制问题。基于修正双曲正切函数设计有界虚拟制导指令，并引入时变非对称非线性映射约束系统状态。采用Lyapunov方法证明制导系统稳定性，基于导数的定义证明制导律的非奇异性。关于该制导律的仿真结果表明，在视场约束下，导弹能够对接近或逃逸的运动目标实现全方向打击。
2.针对导弹速度为时变情况的视场和攻击角度约束制导问题，基于积分障碍Lyapunov函数和一阶时变滤波器提出面向固定目标的二维制导律。该制导算法与传统制导算法相比具有完全非线性、无需制导指令切换、适用于速度为时变的导弹和制导律完全解析四项优势。将时变的导弹速度用于设计使闭环制导系统满足稳定性条件的部分时变增益，从而避免制导律设计中对时变的导弹速度求导。通过双曲正切型虚拟制导指令和积分障碍Lyapunov函数的共同作用约束导弹前置角幅值。建立一阶时变滤波器补偿制导指令饱和对系统稳定性造成的不利影响。考虑自动驾驶仪动态特性的数值仿真结果表明这种制导律具有较强鲁棒性。
3.针对视场和攻击角度约束制导律设计问题，基于系统解耦和非线性状态变换提出可对地面或水面固定目标全方向打击的三维制导算法。关于该问题的传统解析制导律均采用二维运动学模型设计，故所提出的三维制导算法更切合实际制导情况。为避免垂直攻击时竖直方向攻击角度潜在的不可控问题，面向垂直攻击和非垂直攻击两种情形不同的制导目标分别设计制导算法。采用非线性方法将导弹总前置角的幅值约束转化为两个部分前置角的幅值约束，从而将制导系统解耦为俯仰和偏航两个子系统。根据双曲正切函数和正弦函数的性质对原制导子系统进行非线性状态变换，使得满足纯反馈形式的重构制导子系统能够直接按照严格反馈系统反步控制方式进行制导律设计。垂直攻击和非垂直攻击的多组仿真结果表明这种三维制导律的有效性。
4.分析采用状态受限系统控制方法研究视场和攻击角度约束三维制导问题的可行性，并基于通用时变非对称非线性映射提出面向运动目标的三维非线性制导律。将导弹视场约束转化为垂直视线方向上弹目相对速度在视线坐标系两坐标轴上分量的幅值约束。具体给出实现转化的充分条件，并分析该条件在相对于运动目标具有明显速度优势的导弹上的适用性。构造通用时变非对称非线性映射对制导系统进行状态变换，并采用无需约束虚拟制导指令幅值和无需求取逆映射的简化方法为俯仰和偏航子系统分别设计制导律。基于Lyapunov方法和反证法证明多约束下制导目标的可实现性。仿真结果表明在该三维制导律作用下，导弹能在视场约束条件下对运动目标实现多方向精确打击。
答辩人简介：
刘柏均，男，我院2018级博士研究生，导师为侯明善教授，专业为控制科学与工程，主要研究方向为非线性系统控制、飞行器制导与控制。
