基于Backstepping和扰动观测器的导引律

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252012V01．33No．122291．2300ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．Ci3hkxb@buaaedu．C13文章编号：1000—6893(2012)12—2291—10基于Backstepping和扰动观测器的导引律张金鹏1’2，燕洁静3，李世华3一，罗生21。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京1001912．中国空空导弹研究院，河南洛阳4710093．东南大学自动化学院，江苏南京210096摘要：考虑

2、目标机动和自动驾驶仪动态特性等情况，基于扰动观测器(DOB)技术及Backstepping的设计思想，提出了一种新型的三维导引律。运用Backstepping的设计思想，将包含驾驶仪动态特性的制导环路分为外环和内环两个环路。将目标机动及俯仰和偏航平面间的交叉耦合项当成外环扰动，将驾驶仪参数不确定当成内环扰动，分别设计内外扰动观测器将它们估计出来，利用估计值做前馈补偿得到的外环控制器可抑制目标机动对制导精度的影响及实现两个平面的解耦控制，内环控制器补偿驾驶仪动态特性对制导精度的影响。导引律的设计在于使得导弹的实际加速度跟踪上外环的虚拟控制。仿真结果表明：在目标做大机动、

3、考虑驾驶仪动态特性的情况下，这种导引律仍然具有良好的制导精度。关键词：Backstepping；扰动观测器；目标机动；驾驶仪动态；三维导引律中图分类号：V488．13文献标识码：A现代化的高科技战争对导弹制导精度和抗干扰能力的要求越来越高，导弹的末制导导引律是实现拦截导引的火控系统的关键技术之一。传统的比例导引律(PNG)具有结构简单、易于工程实现等优点，在目标不做机动且不考虑自动驾驶仪动态时，系数为3的PNG是一种脱靶量最小的最优导引律。然而，PNG无法克服自身固有的缺陷，即当目标做大机动飞行时，采用PNG会导致脱靶量很大。为了克服PNG的缺点，学者们开始研究一些修

4、正的比例导引律口屯]，最常见的如扩展的比例导引律(APNG)，APNG虽能改善PNG需用的过载大、脱靶量大等缺陷，但需要知道目标的机动加速度信息。随着控制理论的发展，一些鲁棒控制理论也被应用在导引律的设计过程中，最常见的如滑模导引律(SMG)。滑模变结构控制系统具有抗干扰和抗参数摄动特性。从20世纪90年代初至今，SMG被广泛研究。文献[3]设计的SMG对控制环的参数摄动具有鲁棒性。把目标机动看成扰动，利用滑模的高增益设计的SMG具有对目标机动很强的鲁棒性。文献[4]提出了一种对控制环不确定干扰及目标机动都具鲁棒性的SMG设计方法。它用自适应方法估计出“扰动”的界来设

5、计滑模增益。虽然SMG优点明显，但滑模固有的抖振特性容易引起导弹弹体的抖动，如果抖动的幅度过大，将不利于弹上部件的正常工作。很多文献讨论了SMG的去抖方法。文献[5]利用自适应的方法选取一定的自适应律使得系统的滑动模态是渐近可达的，从而达到去抖的目的。文献[6]和文献[7]是基于饱和函数与自适应结合的方法来去抖的。用饱和函数的方法虽能有效地改善SMG固有的缺陷，但它是以牺牲抗干扰(抗收稿日期：2011-12—20；退修日期：2012—01—12；录用日期：2012—03—26；网络出版时间：2012—04-0718：41网络出版地址：www．cnki．net／kcms

6、／detail／11．1929．V．20120407．1841．004．html基金项目：国家自然科学基金(61074013)；航空科学基金(20090112002，20100169002)*通讯作者．Tel．；025—83793785E-mail：Ish@SeLl．edu．cn引琅格武IZhangJPtYahJJ，LiSH，eta1．Aguidancelawdesignbasedondisturbanceobserverandbackstepping．ActaAeronauticaetAstronauticaSmica．2012．33(12)：2291-2300．张

7、金鹅，燕洁静，李世华，等．基fBackstepping和扰动观溺器的导；l律．航空学报，2012．33(12)：2291-2300航空学报目标机动)性能为代价的。SMG的设计思想是利用高增益来抑制“扰动”。而另一种思路是将这种“扰动”估计出来，在控制器中直接前馈补偿。扰动观测器(DOB)是一种十分有效的扰动估计技术，具有结构简单、性能优越、计算量小等突出特点，已被广泛应用到许多高精度运动控制系统中，如永磁同步电机控制[8]、机器人控制[9]、磨矿控制等口⋯。本文即将DOB技术应用于导引律的设计。对于解决三维导引律设计中存在非线性耦合项难处理的问题，一