高阶滑模制导律的设计与实现

马克茂+董继鹏+张金鹏

摘要：针对机动目标拦截问题，应用高阶滑模控制方法，设计了高精度制导律。在制导律设计过程中，针对目标机动，基于增广比例导引设计了滑模变量，考虑二阶弹体动态特性，设计了二阶滑模制导律。应用高增益扩张状态观测器对制导信息进行估计，完成了制导律的实现。数值仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：导弹；机动目标；制导律；高阶滑模控制；高增益观测器

中图分类号：TJ765.3 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0009-06

0 引言

在末制导过程中，影响制导精度的主要因素是目标的逃逸机动和导弹过载响应的弹体动态特性[1]。对于非机动目标，不考虑弹体动态特性的影响，比例导引是一定性能指标下的最优制导律[2]。对于针对机动目标拦截的情况，一种处理方法是将目标机动作为不确定外部扰动进行处理[3]，采用对不确定性具有适应性的控制方法，如滑模控制方法，进行制导律设计。另一种处理方法是在比例导引的基础上，对目标机动加速度进行前馈补偿而构成增广比例导引，则可以实现与比例导引相同的最优性能。在实际应用中，为实现这种最优性，需要解决两个问题：一是目标机动加速度的估计问题；一是如何消除弹体动态特性的影响。针对目标机动加速度的估计问题，主要的解决思路是应用滤波方法[4]或状态观测器方法[5]。在考虑弹体动态特性的影响时，一般都是用一阶或二阶惯性环节来描述弹体的动态特性。文献[6]考虑一阶弹体动态特性，设计了针对机动目标的变结构制导律。由于弹体动态环节一般是高阶系统，因此采用二阶惯性环节进行建模，具有更大的实际意义[7]。

滑模控制广泛应用于制导律的设计，但常规滑模系统要求的相对阶为1，当考虑弹体动态特性的影响时，常规滑模制导律的设计存在一定的难度，而这一困难可以通过高阶滑模进行克服[8]。在滑模制导律中引入等效控制，可以降低滑模制导律中切换控制量的幅值，进而改善制导系统的性能，但同传统制导律相比，需要对更多的制导信息进行估计。

将高增益扩张状态观测器应用于制导信息的估计，可以利用高增益来保证估计精度和估计过程的快速收敛性，并通过观测器状态的扩张完成对目标机动加速度等制导信息的估计[9-11]。随着观测器增益的提高，可以实现对状态反馈控制的性能复原，但测量噪声的存在，实际应用中观测器的增益受到限制[12]。

本文针对机动目标拦截问题，采用高阶滑模方法进行制导律设计，以方便考虑高阶弹体动态环节。对制导律中所需要的视线转率、目标机动等制导信息，利用高增益扩张状态观测器进行估计。

摘要：针对机动目标拦截问题，应用高阶滑模控制方法，设计了高精度制导律。在制导律设计过程中，针对目标机动，基于增广比例导引设计了滑模变量，考虑二阶弹体动态特性，设计了二阶滑模制导律。应用高增益扩张状态观测器对制导信息进行估计，完成了制导律的实现。数值仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：导弹；机动目标；制导律；高阶滑模控制；高增益观测器

中图分类号：TJ765.3 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0009-06

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在末制导过程中，影响制导精度的主要因素是目标的逃逸机动和导弹过载响应的弹体动态特性[1]。对于非机动目标，不考虑弹体动态特性的影响，比例导引是一定性能指标下的最优制导律[2]。对于针对机动目标拦截的情况，一种处理方法是将目标机动作为不确定外部扰动进行处理[3]，采用对不确定性具有适应性的控制方法，如滑模控制方法，进行制导律设计。另一种处理方法是在比例导引的基础上，对目标机动加速度进行前馈补偿而构成增广比例导引，则可以实现与比例导引相同的最优性能。在实际应用中，为实现这种最优性，需要解决两个问题：一是目标机动加速度的估计问题；一是如何消除弹体动态特性的影响。针对目标机动加速度的估计问题，主要的解决思路是应用滤波方法[4]或状态观测器方法[5]。在考虑弹体动态特性的影响时，一般都是用一阶或二阶惯性环节来描述弹体的动态特性。文献[6]考虑一阶弹体动态特性，设计了针对机动目标的变结构制导律。由于弹体动态环节一般是高阶系统，因此采用二阶惯性环节进行建模，具有更大的实际意义[7]。

滑模控制广泛应用于制导律的设计，但常规滑模系统要求的相对阶为1，当考虑弹体动态特性的影响时，常规滑模制导律的设计存在一定的难度，而这一困难可以通过高阶滑模进行克服[8]。在滑模制导律中引入等效控制，可以降低滑模制导律中切换控制量的幅值，进而改善制导系统的性能，但同传统制导律相比，需要对更多的制导信息进行估计。

将高增益扩张状态观测器应用于制导信息的估计，可以利用高增益来保证估计精度和估计过程的快速收敛性，并通过观测器状态的扩张完成对目标机动加速度等制导信息的估计[9-11]。随着观测器增益的提高，可以实现对状态反馈控制的性能复原，但测量噪声的存在，实际应用中观测器的增益受到限制[12]。

本文针对机动目标拦截问题，采用高阶滑模方法进行制导律设计，以方便考虑高阶弹体动态环节。对制导律中所需要的视线转率、目标机动等制导信息，利用高增益扩张状态观测器进行估计。

摘要：针对机动目标拦截问题，应用高阶滑模控制方法，设计了高精度制导律。在制导律设计过程中，针对目标机动，基于增广比例导引设计了滑模变量，考虑二阶弹体动态特性，设计了二阶滑模制导律。应用高增益扩张状态观测器对制导信息进行估计，完成了制导律的实现。数值仿真结果验证了方法的有效性。

关键词：导弹；机动目标；制导律；高阶滑模控制；高增益观测器

中图分类号：TJ765.3 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0009-06

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在末制导过程中，影响制导精度的主要因素是目标的逃逸机动和导弹过载响应的弹体动态特性[1]。对于非机动目标，不考虑弹体动态特性的影响，比例导引是一定性能指标下的最优制导律[2]。对于针对机动目标拦截的情况，一种处理方法是将目标机动作为不确定外部扰动进行处理[3]，采用对不确定性具有适应性的控制方法，如滑模控制方法，进行制导律设计。另一种处理方法是在比例导引的基础上，对目标机动加速度进行前馈补偿而构成增广比例导引，则可以实现与比例导引相同的最优性能。在实际应用中，为实现这种最优性，需要解决两个问题：一是目标机动加速度的估计问题；一是如何消除弹体动态特性的影响。针对目标机动加速度的估计问题，主要的解决思路是应用滤波方法[4]或状态观测器方法[5]。在考虑弹体动态特性的影响时，一般都是用一阶或二阶惯性环节来描述弹体的动态特性。文献[6]考虑一阶弹体动态特性，设计了针对机动目标的变结构制导律。由于弹体动态环节一般是高阶系统，因此采用二阶惯性环节进行建模，具有更大的实际意义[7]。

滑模控制广泛应用于制导律的设计，但常规滑模系统要求的相对阶为1，当考虑弹体动态特性的影响时，常规滑模制导律的设计存在一定的难度，而这一困难可以通过高阶滑模进行克服[8]。在滑模制导律中引入等效控制，可以降低滑模制导律中切换控制量的幅值，进而改善制导系统的性能，但同传统制导律相比，需要对更多的制导信息进行估计。

将高增益扩张状态观测器应用于制导信息的估计，可以利用高增益来保证估计精度和估计过程的快速收敛性，并通过观测器状态的扩张完成对目标机动加速度等制导信息的估计[9-11]。随着观测器增益的提高，可以实现对状态反馈控制的性能复原，但测量噪声的存在，实际应用中观测器的增益受到限制[12]。

本文针对机动目标拦截问题，采用高阶滑模方法进行制导律设计，以方便考虑高阶弹体动态环节。对制导律中所需要的视线转率、目标机动等制导信息，利用高增益扩张状态观测器进行估计。