CN110716541B - 一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法，通过引入虚拟光轴的新概念，实现了惯性空间目标视线角速度的重构，此外，釆用非线性PID控制有效减小了噪声对跟踪回路性能的影响。

Description

一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法。
背景技术
相比于传统动力陀螺式和框架式导引头，捷联式导引头的探测器直接刚性地与弹体固联，取消了活动机构，结构简单，可以有效地对整弹进行小型化设计，并降低制造成本，提高可靠性。然而，捷联式导引头不能直接输出视线角速率，需要探测器和惯性器件合成得到视线角速率。对于捷联导引头来说，在制导律设计时需要先完成视线角速率的估计，进而使用适用于捷联制导体制的制导律。
对于捷联式导引头，理论上可以通过下面两种方法来获得惯性视线角速率：
(1)将弹体姿态信息反馈到导引头输出端的去耦方法，即将弹体姿态角或角速率信息同导引头的输出信息相结合，具体可以通过弹体姿态角和捷联导引头输出视线角相加后微分，或者将捷联导引头输出视线角微分后与弹体角速率信号相加来得到惯性视线角速率；
(2)将弹体姿态信息反馈到导引头角跟踪回路的去耦方法，即将弹体姿态角或其角速率信息反馈到导引头的角跟踪系统来稳定导引头视轴，从而实现弹体姿态扰动的去耦，得到相对于惯性空间的视线角速率。
然而，将弹体姿态信息反馈到导引头输出端的去耦方法对于某些寻的导弹的典型参数而言，制导回路是不稳定的，若要使制导回路稳定，必须将导引头角跟踪系统的带宽增加到足够大，这样便意味着导引头的跟踪带宽会远大于跟踪预计的机动目标需要的带宽，从而会使系统对噪声更敏感而降低信噪比；将弹体姿态信息反馈到导引头角跟踪回路的去耦方法对于寻的导弹的典型参数而言，制导回路是稳定的，但其中仍然采用了微分网络，采用微分网络使得放大系统噪声对跟踪回路性能产生影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了减小噪声对导引头跟踪回路性能的影响，实现惯性空间中目标视线角速度的重构，本发明设计一种基于虚拟光轴的捷联导引头系统综合新方法。
本发明的技术方案是：一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法，包括以下步骤：
步骤一：，捷联导引头视线角q除去弹体姿态角θ后，两者相减得到λ，计算公式为λ＝q-θ，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm；
λm＝JS1·(q-θ)＝q-θ
同时，弹上惯导系统实时测量弹体姿态角通过一阶保持器后得到测量值θm；
θm＝JS2·θ＝θ
实际惯性空间视线角q减去弹体弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm(即捷联导引头测量出的弹体视线角)，这里描述的是捷联导引头测量弹体视线角的原理，在测量过程中是不用知道实际惯性空间视线角q和弹体弹体姿态角θ的具体数值的；
步骤二：对系统输出
Figure BDA0002225636190000021
进行积分，经过采样和一阶保持器后，得到qt；
Figure BDA0002225636190000022
Figure BDA0002225636190000023
初始值是未知的，系统输出需要经过一系列计算才能得到；
qt的初始值设为0，在制导过程中，利用误差信号e1、e2、e0不断修正误差，使得
Figure BDA0002225636190000026
能无差跟踪实际惯性空间视线角速率
Figure BDA0002225636190000024
步骤三：qt减去步骤一得到的弹体姿态角测量值θm，通过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt；
λt＝JS4·(qt-θm)＝qt-θm
步骤四：虚拟失调角λt通过跟踪微分器得到其跟踪值z1及其微分信号z2；失调角λm通过另一个跟踪微分器得到其跟踪值v1及其微分信号v2，取误差信号e1、e2、e0；
v1＝λm,
Figure BDA0002225636190000025
z1＝λt,
Figure BDA0002225636190000031
e1＝JS5·(v1-z1)＝v1-z1，e2＝v2-z2，
Figure BDA0002225636190000032
步骤五：通过步骤四得到的误差信号的非线性组合得到控制信号
u＝f(e0，e1，e2)
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure BDA0002225636190000033
即跟踪回路控制指令即为惯性空间目标视线角速度的测量值。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明通过引入虚拟光轴的新概念，实现了惯性空间目标视线角速度的重构，此外，釆用非线性PID控制有效减小了噪声对跟踪回路性能的影响。
附图说明
图1导引头系统结构图
图2导引头系统简化结构图
图3基本流程图
具体实施方式
参见图1—图3，该发明以捷联图像导引头信息和惯导信息为基础，采用类似于常平架式图像导引头的工作原理，在惯性空间中定义一个虚拟光轴，通过稳定回路和跟踪回路的作用，使其跟踪目标视线方向，而跟踪回路控制指令即为惯性空间目标视线角速度的测量值。很显然，跟踪回路控制算法的优劣，直接影响制导信息提取的质量。
由于捷联导引头图像跟踪器捷联在弹体上，导弹飞行过程中弹体剧烈摆动的影响需要电子稳像算法处理。通常情况下在捷联导引头测量信息中包含有比活动跟踪导引头更大的检波噪声和CCD量化噪声，直接采用PID控制面临着噪声放大的风险。本发明在这里提出了釆用非线性PID控制用于跟踪回路控制器的设计方法。
图1中，JS1:弹体坐标系目标视线角测量，滤波估计和差补计算模块；(惯性测角元件)
JS2:弹体姿态角测量，滤波估计计算模块；(惯性测角元件)
JS3:虚拟光轴惯性空间指向角计算模块；
JS4:虚拟光轴弹体系指向角重构及匹配滤波计算模块；(惯性测角元件)
JS5:虚拟失调角计算模块；(惯性测角元件)
q：视线角
Figure BDA0002225636190000041
虚拟光轴惯性空间目标视线角速度重构值；
qt：虚拟光轴惯性空间目标视线角重构值；
θ：弹体姿态角
θm：弹体姿态角测量值
λ：失调角；
λm：失调角测量值；
λt：虚拟失调角；
Δq：误差角。
v1，v2：测量的弹体系指向角及其微分信号；
z1，z2：虚拟光轴弹体系指向角重构值及其微分信号；
e1＝v1-z1，e2＝v2-z2，
Figure BDA0002225636190000042
为误差信号；
JS1＝1；JS2＝1；JS3＝1/s；JS4＝1；JS5＝1为各个计算模块的近似传递函数。
图2中，JS6表示非线性PID控制器。
本发明提出的一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法，图3为这种方法的基本流程图，包括以下步骤：
步骤一：，捷联导引头视线角q除去弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm；
λm＝JS1·(q-θ)＝q-θ
同时，弹上惯导系统实时测量弹体姿态角通过一阶保持器后得到测量值θm；
θm＝JS2·θ＝θ
实际惯性空间视线角q减去弹体弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm(即捷联导引头测量出的弹体视线角)，这里描述的是捷联导引头测量弹体视线角的原理，在测量过程中是不用知道实际惯性空间视线角q和弹体弹体姿态角θ的具体数值的；
步骤二：对系统输出
Figure BDA0002225636190000051
进行积分，经过采样和一阶保持器后，得到qt；
Figure BDA0002225636190000052
Figure BDA0002225636190000053
初始值是未知的，系统输出需要经过一系列计算才能得到；
qt的初始值设为0，在制导过程中，利用误差信号e1、e2、e0不断修正误差，使得
Figure BDA00022256361900000510
能无差跟踪实际惯性空间视线角速率
Figure BDA0002225636190000054
步骤三：qt减去步骤一得到的弹体姿态角测量值θm，通过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt；
λt＝JS4·(qt-θm)＝qt-θm
步骤四：虚拟失调角λt通过跟踪微分器得到其跟踪值z1及其微分信号z2；失调角λm通过另一个跟踪微分器得到其跟踪值v1及其微分信号v2，取误差信号e1、e2、e0；
v1＝λm，
Figure BDA0002225636190000055
z1＝λt，
Figure BDA0002225636190000056
e1＝JS5·(v1-z1)＝v1-z1，e2＝v2-z2，
Figure BDA0002225636190000057
步骤五：通过步骤四得到的误差信号的非线性组合得到控制信号
u＝f(e0，e1，e2)
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure BDA0002225636190000058
即跟踪回路控制指令即为惯性空间目标视线角速度的测量值。
以下为非线性控制器的算法说明，用于步骤五中计算惯性空间目标视线角速重构值
Figure BDA0002225636190000059
设非线性PID控制器的描述函数为N(A)，由图2可以得到
Figure BDA0002225636190000061
故当N(A)中误差e1的系数较大时，惯性空间目标视线角速重构值
Figure BDA0002225636190000064
能够很快地跟踪目标视线惯性空间角速度
Figure BDA0002225636190000065
的动态特性。
控制器的整个算法可以整理成
Figure BDA0002225636190000062
其中，c，r2，h2是可调节参数，fhan(x1，x2，r，h)表示
Figure BDA0002225636190000063
其中，h是采样步长，k是当前时刻。

Claims (1)

1.一种基于虚拟光轴的捷联导引头自抗扰非线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：捷联导引头视线角q除去弹体姿态角θ后，两者相减得到λ，计算公式为λ＝q-θ，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm；
λm＝JS1·(q-θ)＝q-θ
同时，弹上惯导系统实时测量弹体姿态角通过一阶保持器后得到测量值θm；
θm＝JS2·θ＝θ
实际惯性空间视线角q减去弹体姿态角θ后，通过滤波估计与差补计算模块JS1，得到失调角测量值λm，这里描述的是捷联导引头测量弹体视线角的原理，在测量过程中是不用知道实际惯性空间视线角q和弹体姿态角θ的具体数值的；JS2为弹体姿态角测量，滤波估计计算模块；
步骤二：对系统输出
Figure FDA0003937833840000011
进行积分，经过采样和一阶保持器后，得到qt；
Figure FDA0003937833840000012
Figure FDA0003937833840000015
初始值是未知的，系统输出需要经过一系列计算才能得到；
qt的初始值设为0，在制导过程中，利用误差信号e1、e2、e0不断修正误差，使得qt能无差跟踪实际惯性空间视线角速率
Figure FDA0003937833840000013
JS3为虚拟光轴惯性空间指向角计算模块
步骤三：qt减去步骤一得到的弹体姿态角测量值θm，通过匹配滤波计算模块JS4得到虚拟失调角λt；
λt＝JS4·(qt-θm)＝qt-θm
步骤四：虚拟失调角λt通过跟踪微分器得到其跟踪值z1及其微分信号z2；失调角λm通过另一个跟踪微分器得到其跟踪值v1及其微分信号v2，取误差信号e1、e2、e0；
V1＝λm，
Figure FDA0003937833840000014
z1＝λt,
Figure FDA0003937833840000021
e1＝JS5·(v1-z1)＝v1-z1,e2＝v2-z2,
Figure FDA0003937833840000022
JS5为虚拟失调角计算模块
步骤五：通过步骤四得到的误差信号的非线性组合得到控制信号
u＝f(e0,e1,e2)
从而得到惯性空间目标视线角速重构值
Figure FDA0003937833840000023
即跟踪回路控制指令即为惯性空间目标视线角速度的测量值。
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