随着空战中攻防对抗技术的持续发展,现有导弹的性能已难以满足越来越多的技战术要求,需要设计具有更高性能的空空导弹,而空空导弹自动驾驶仪则是关系到导弹飞行成败的关键系统之一。过载自动驾驶仪的任务是根据过载指令准确地对导弹进行控制,进而击中目标。空空导弹模型具有非线性和时变性的特点,同时在飞行过程中还受到各种扰动的影响,控制量也存在约束。针对上述问题建立空空导弹的精确模型,设计控制精度高鲁棒性强的过载自动驾驶仪具有重要意义。本文以空空导弹为研究背景,开展动力学建模和先进过载自动驾驶仪的设计工作,具体研究内容如下:1.建立了空空导弹的精确数学建模。首先建立了各种坐标系和推导了相应的转换矩阵,然后基于导弹的工作原理分析了作用于弹体上的力和力矩并建立了导弹的动力学运动学方程,最后给出了精确的导弹姿态控制数学模型。为接下来的控制器设计以及仿真奠定了基础。2.设计了空空导弹过载自动驾驶仪。针对空空导弹非线性强,存在各种约束和外部扰动的特点,提出一种基于广义扩张状态观测器和模型预测控制的过载自动驾驶仪设计方法。其中广义扩张状态观测器用于观测并补偿外部扰动和模型偏差;而模型预测控制基于补偿后的模型进行设计,可以在保证在满足各种约束和限制的前提下优化系统的综合控制性能。仿真结果表明,与传统的基于PI校正的两回路过载自动驾驶仪相比,基于广义扩张状态观测器和模型预测控制的过载自动驾驶仪对导弹的过载控制性能有很大的提升。3.开展了过载自动驾驶仪的优化设计。针对模型预测控制算法计算量大,实时性较差的问题,从多个方面进行优化设计。首先,采用函数预测控制代替模型预测控制,将优化变量从控制序列变成基函数的权重,减少优化变量个数。然后针对传统二次规划的求解时间过长问题,引入了障碍内点法和简化对偶神经网络模型两种快速求解算法,并结合具体问题对障碍内点法进行了改进,显著缩短了求解时间。对比仿真结果表明,两种改进方案均能在保证控制性能的前提下提高实时性,降低平均计算时间。其中,改进障碍内点法在计算时间消耗方面优势更加明显,更适合在导弹控制系统中应用。