基于GA优化的质量矩拦截弹模糊滑模姿态控制_

基于GA优化的质量矩拦截弹模糊滑模姿态控制
摘要：质量矩控制是一种全新的飞行控制方法，与广泛应用的空气动力控制相比，可以避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题，而且，可以提高飞行器的机动性、敏捷性和制导控制精度。以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，通过对模型合理的简化，得到一个耦合的非线性动力学系统，利用滑模控制设计了拦截弹飞行时的姿态控制系统，提出采用模糊逻辑算法抑制系统抖振的同时，把控制系统的多个设计目标转化为不等式约束，采用遗传算法优化控制参数，控制系统性能满足设计要求。仿真结果验证了这种方法的有效性。
关键词：质量矩拦截弹；姿态控制；滑模控制；模糊逻辑算法；遗传算法
传统的大气层内飞行的导弹一般采用气动舵面控制，但是在高空，尤其是在30km以上的大气层外，由于空气密度低，造成动压很低，在导弹作战空域的远界，由于导弹的速度降低，也造成动压较低，这引起导弹动态特性下降，机动能力弱。导弹机动能力弱造成导弹脱靶量明显增加，不能满足精确制导控制的要求，这就要求开辟新的技术途径。为了提高飞行器的机动性、敏捷性和制导控制精度以及避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题，美国于2000年提出了一种全新的控制方法-质量矩控制，从有关文献可知，俄罗斯和美国在上个世纪90年代都对变质心控制进行了研究，但是，由于弹头机动控制技术在国外十分保密，公开的文献资料非常少，在国内有关的研究就更少了，仅见的研究都集中在超高马赫数飞行的再入弹头上[1-5]。
本文所研究的质量矩拦截弹采用三通道稳定控制方式，在拦截弹内径向布置两个正交的质量块，轴向布置一个质量块，各个通道间存在较强的气动、控制、惯性和动力学耦合，使拦截弹成为一个同时具有非线性和模型不确定性的多变量系统，经过对这一模型合理的工程简化，得到一个耦合的非线性动力学模型。同时，采用四元数表示的拦截弹旋转运动学方程，首次构成了完整的拦截弹末段机动数学模型。滑模控制以其较好的动态性能和鲁棒性得到了控制界广泛的重视，并已获得了一定的应用，但滑模控制的抖振问题会对控制系统造成不利的影响，因此，长期以来，抖振抑制一直是伴随着滑模控制的应用而重点研究的问题，但在实现抑制抖振的同时会给控制系统带来稳态误差。Wong等人[6]提出将
传统的PI控制与滑模控制相结合，可以有效地抑制抖振，同时，系统的稳态误差为零。Guo等人[7]针对机器人动力学模型提出了一种基于Lyapunov函数的自适应模糊滑模控制，也达到了抑制抖振和消除稳态误差的目的。胡孟权等人[8]用基于Lyapunov函数的方法调节自适应系统的权值，设计了推力矢量飞机的模糊滑模动态逆重构飞行控制系统，在抑制系统抖振的同时，可以有效地补偿未知的飞控系统故障。本文提出一种基于遗传算法的模糊滑模拦截弹姿态控制系统设计方法，把各设计目标转化为不等式约束，采用遗传算法优化控制参数，同时，利用模糊逻辑抑制系统的抖振。仿真结果表明，姿态控制系统不但具有很好的鲁棒性，而且满足所有给定的性能指标要求。
质量矩拦截弹内部布置了三个可以自由移动质量块，整个拦截弹相当于一个多刚体系统，为了更清晰地理解相关物理量的变化规律，采用牛顿－欧拉法推导拦截弹的动力学方程。
滑模控制首先使系统的状态轨线运动到适当选取的切换流形，然后沿此流形渐近运动到系统的平衡点，系统一旦进入滑动模态，在一定条件下就对外界干扰和参数摄动具有不变性。
遗传算法可以较为有效地求解困难的组合优化问题和复杂的函数优化问题。为了避免在调试参数时的盲目性，使工程设计师用更多的时间去研究质量矩拦截弹的动力学与制导控制系统设计问题，而不必再用更多的时间去试凑参数，提出采用遗传算法进行拦截弹姿态控制系统优化设计，这一优化设计是离线的.
由于质量矩拦截弹的控制性能必须通过一个轴向滑块和两个径向滑块在导轨上的往复运动来实现，而滑块伺服机构的特性将直接影响系统控制效果的好坏，在拦截弹控制系统设计中，必须考虑滑块伺服机构的动态特性。
由于三滑块质量矩拦截弹采用了三通道稳定控制方式，这给控制系统设计带来了难度，本文所推导出的拦截弹数学模型过于复杂，经过合理的简化，得到的系统动力学模型仍是一个非线性系统。同时，采用四元数表示的拦截弹旋转运动学方程，这样就得到了完整的拦截弹末段机动数学模型。考虑系统的鲁棒性要求和三个滑块伺服机构的协调控制问题，本文设计了基于Lyapunov函数的模糊滑模姿态控制系统，同时，采用遗传算法对控制系统参数进行优化设计，仿真表明所设计的拦截弹姿态控制系统具有很好的动态特性和较强的鲁棒性。由于拦截弹各个通道之间存在的气动、控制、惯性和动力学耦合程度是与三个滑块和弹体的质量比密切相关的，质量比越大（质量比过大会造成拦截弹失稳），这种耦合程度就越高，更有利于提高其机动性和敏捷性，在这种情况下，其简化模型为非线性系统，不能用传统的频域设计法进行分析研究；反之，质量比越小，这种耦合程度就越低，则对提高其机动性和敏捷性不利，但可以运用工程上常用的小扰动线性化以及固化系数法把拦截弹模型线性化，即可以用传统的频域设计法进行工程化分析研究。本文是在对质量比进行优化研究的基础上，设计拦截弹姿态控制系统，但是，工程应用中一定要注意质量比的选择问题，尤其是必须保证拦截弹不至失稳。另外，滑块伺服机构特性将直接影响系统控制效果的好坏，从本文的仿真结果来看，拦截弹只是在建立姿态角瞬间对其要求较高，在大多数飞行过程中，对其要求并不高但从工程实践角度考虑，这一问题还需要作深入研究。质量矩控制是一种新型的飞行器控制方法，其控制机理较为复杂，国内外相关的研究工作起步较晚，公开的资料匮乏，本文只是在拦截弹末段机动方面作了有益的探讨，从仿真结果来看，这一方法是可行的。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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