基于ADRC与QFT技术的滚转导弹复合鲁棒控制

摘 要：滚转是导弹突破定向能武器攻击的一种有效手段。滚动通道的主要任务是克服外扰的影响，给弹体提供精确的滚转角速度，这里将通过一个自抗扰控制器(ADRC)实现这一目的。针对俯仰-偏航通道，设计了一个基于定量反馈理论(QFT)的控制器，以克服通道间的运动耦合及参数的大范围变化，准确跟踪姿态指令。数字仿真结果表明，这种复合控制器具有很强的鲁棒性及良好的动态性能。

关键词：导弹; 滚转; 鲁棒控制; ADRC; QFT

中图分类号：TN973.2-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)17-0021-04

Hybrid Robust Control Based on ADRC and QFT Technology for Spinning Missile

WANG Zhi1, WU Hong-fang2

(1.Northwestern polytechnical university, Xi’an 710032, China; 2.Luoyang Photoelectric Technology Development Center, Luoyang 471009, China)

Abstract： Roll is an effective means to penetrate directed energy weapon′s attack. The main tasks of the roll channel are to overcome the impact of external interference, and to provide the missile with an accurate roll angular velocity. In this paper, this goal will be achieved through an auto disturbances rejection controller (ADRC). For the pitch-yaw channel, a controller based on quantitative feedback theory (QFT) is designed to overcome the movement couplings between channels and a wide range of parameter changes, to accurately track attitude commands. Digital simulation results show that the composite controller has strong robustness and good dynamic performance.

Keywords： missile; roll; robust control; ADRC; QFT

0 引 言

随着定向能武器(如激光武器)的不断研制和开发，使其技术越来越成熟，因而已经对弹道导弹构成现实的威胁。应对这种威胁的方法之一是使导弹沿弹轴旋转，以便使激光光斑在弹体表面沿环向移动，从而提高抗激光的杀伤能力。

在导弹滚转过程中，滚转角速度的可选择范围其实是相当狭窄的，甚至必须在弹道上的不同点选择不同的额定值，这主要由下面的因素决定，即滚转角速度下限不应低于抗激光杀伤要求的最小速度；滚转角速度上限不应高于导致控制失稳的临界速度。综合考虑，导弹的额定滚转角速度一般限制在1~2 rad/s范围内。自抗扰控制器(Auto-Disturbances-Rejection Controller，ADRC)能够解决存在不确定性及扰动的系统控制问题［1-2］，本文将基于ADRC方法来完成滚速的精确控制。 相对以正常方式飞行的导弹而言，滚转导弹的姿态控制更为复杂，面对的条件也更恶劣，不仅存在运动参数的大范围摄动与内、外干扰的影响，通道间的交连耦合也加大了姿态控制失稳的可能，导致常规PD控制参数的适用范围减小，可靠性降低。本文采用经典的频域回路成形技术，设计基于定量反馈理论(Quantitative Feedback Theory,QFT)［3-4］ 的控制器实现姿态角的准确跟踪，在系统获得对参数变化和外部干扰鲁棒性的同时，保持良好的动态性能。

1 基于ADRC的滚转角速度控制

在自旋方式下，弹体姿态运动的滚转与俯仰-偏航之间的耦合较弱，并且滚转力矩是由独立的喷管差动分量来提供的，因此滚动通道的设计可以独立出来，它的目的是给导弹提供一个额定的滚转速度，确保抗激光的杀伤能力。考虑到不确定性，滚动通道的数学描述如下：

3 数字仿真与分析

以某型导弹在气动力矩系数最大时刻的飞行参数为准进行数字仿真，给定的控制任务是克服参数变化以及外部风扰等因素的影响，保持弹体以额定速度滚转，并准确跟踪姿态指令。

3.1 滚动通道

滚动通道运动参数为：

转动惯量J=diag{93.5,10 382.17,10 503.25}×103 kg•m2，推力P=12 067 kN。给出额定滚转角速度为：

比较图6与图7可以看到，在气动参数存在大范围摄动的情况下，QFT控制器能够保证滚转导弹稳定飞行，且跟踪特性基本保持不变，具有很强的鲁棒性。图中显示，由于系统结构的固有原因，姿态角跟踪出现了相位误差与幅值误差，适当增加QFT前馈控制器的静态增益，可以减小幅值误差(对相位误差影响不大)。

4 结 论

导弹滚转飞行的目的是对抗定向能武器的毁伤，滚转角速度必须控制在一个相当狭窄的范围内。本文采用自抗扰控制器来解决参数不确定性及扰动影响的问题，实现滚速的精确控制。

在姿态控制方面，设计的QFT控制器具有很强的鲁棒性，能够适应参数的大范围摄动，控制效果良好。需要说明的是，QFT控制不适合某些以较高滚速(3 rad/s以上)旋转的导弹，在这种情况下，控制器将引起严重相位滞后。

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作者简介： 王 志 男,1972年出生，河南焦作人，博士。主要研究方向为飞行器导航、制导与控制。