基于终端落角和加速度约束的末制导律设计

为了提高导弹末制导的打击精度和毁伤程度,设计了基于剩余时间多项式的满足终端落角约束和终端加速度为0的制导律。经过反馈线性化将弹目方程变成线性形式,通过满足具体的终端约束求解了制导律的系数,得到满足各种约束的易于工程实现的新制导律。利用闭环轨迹解给出了一种有效求解弯曲弹道剩余时间的方法。最后通过弹道仿真和对比试验验证了该制导律的可行性。与现有文献相比,该制导律不仅满足高精度制导的需要,而且对末端迎角控制和早期弹道修正具有较大优势。     

基于理想视线制导的多导弹协同攻击策略

理想视线制导律是一种沿理想视线方向的、对终端相对位置与终端相对速度进行控制的弹道成型制导律。基于此制导律,提出了一种圆弧假设并推导了理想视线约束角度与飞行剩余时间之间的函数关系,设计了多导弹飞行时间协同控制系统。在此基础上,提出了针对低速目标的多导弹协同攻击策略。该制导策略通过调节各导弹终端理想视线与相对距离矢量方向夹角大小的方法,有效地减小了各导弹飞行时间之间的差额。仿真结果表明,所设计的制导策略可以很好地实现多导弹对固定目标的协同攻击并且有较强的容错性。     

基于动态逆方法的三维制导律研究

基于零化视线角速率思想,设计了三维非线性动态逆制导律。首先建立了导弹和目标空间运动学模型和相对运动学模型;然后利用动态逆方法,将制导问题转化为角度跟踪控制问题,将导弹弹道倾角和弹道偏角作为反馈项,补偿输入动态项,将非线性控制问题转化为线性化问题进行求解,未出现隐动态,推导出了三维空间动态逆制导指令;最后运用带有延迟环节的三阶自动驾驶仪模型进行了仿真。结果表明,该制导律具有拦截机动目标的能力,且相对于比例导引,拦截时间短,脱靶量小,导弹过载变化平稳。     

基于虚拟视角约束的机动目标拦截制导方法

为使导弹能够以一定的末端攻击角度对机动目标进行拦截，提出了一种带有终端虚拟视角约束以及终端视线角约束的机动目标拦截制导方法。基于速度系各运动矢量之间的变换关系，建立了虚拟相对运动坐标系下的非线性模型，并将线性模型中多项式制导的思想创新性地引入到非线性模型中，通过末端虚拟视角约束以及末端视线角约束对关于弹目距离的多项式虚拟控制量进行求解，并根据虚拟矢量与运动矢量之间的变换关系得到速度系下的加速度指令表达式。针对不同制导系数、不同末端攻击角度及不同类型的机动目标等条件进行了仿真验证，同时与弹道成型制导律进行了仿真对比。仿真结果表明，所提出的制导律可以使导弹以期望的攻击角度拦截机动目标，末端虚拟视角收敛为零，避免了末端指令饱和现象。     

三维自适应终端滑模协同制导律

针对多枚导弹协同作战的问题,且多枚导弹之间保持有向拓扑通信的条件下,基于终端滑模法设计了视线方向及视线法向的双层协同制导律。其中,视线方向的制导指令能够保证导弹同时完成拦截任务;视线法向上的三维制导律能够保证每枚导弹以期望的视线角攻击目标,从而发挥各枚导弹的最大杀伤力,并且视线角的约束相当于规划了末制导段导弹的弹道问题,在一定程度上避免攻击目标前导弹间发生碰撞。同时,针对所设计的滑模制导律设计了新的自适应律,从而加快了滑模面的收敛速度并且削弱了由符号函数引起的系统抖振现象。基于李雅普诺夫稳定性理论,证明了所设计制导律的正确性,并在最后给出了数学仿真实验,验证了所设计制导律的有效性及优越性。     

考虑扰动及控制饱和的多约束末制导方法

在末制导阶段,飞行器受到建模误差、风、目标运动等多种扰动的影响,且导引头视场、攻角及落角受到约束。为此,提出一种多约束及扰动下的末制导方法。将制导问题转化为存在扰动与控制饱和的系统的镇定问题。设计低增益状态反馈律镇定系统,利用线性扩张状态观测器观测系统中的扰动并在反馈律中对其进行补偿。以此为基础推导得到末制导律。基于Lambert W函数研究制导律参数对视线角收敛的影响,并提出制导律参数的自适应整定方法。通过在线调整制导律参数,保证全部约束得到满足。在多种扰动下,通过数值仿真验证提出的制导方法。仿真结果表明,制导律满足所有约束且获得的制导精度较高。     

基于Lyapunov稳定性的扩展比例制导律设计

基于一般弹目平面运动模型,以视线角、视线角速率为状态变量将弹目运动关系转换为二阶控制系统状态空间表达,把制导律设计转化为系统控制律的设计问题.在此控制模型的基础之上,利用Lyapunov稳定性定理,以视线角速率平方项作为能量函数设计了一种新型的扩展比例导引律,与其他扩展比例导引律相比,该导引律不需要增加任何制导观测信息,可以有效抑制噪声影响,并将基于Lyapunov稳定性的末制导律设计方法推广到有终端角约束的制导律设计中.仿真结果比较表明,该制导律可以提高制导精度、有效减小制导信息中的噪声影响.     

舰载无人机撞网回收自适应制导技术

针对无人机自动着舰撞网回收过程中目标舰船处于运动状态的特点,借鉴导弹导引律的比例导引法提出了基于视线角的制导律,并引入反步法的设计思想以提高制导律的自适应性。基于视线角的制导律使无人机的轨迹倾斜角变化率与视线角变化率成比例,通过控制视线角来跟踪下滑轨迹倾斜角。采用该导引律可以减小无人机运动对目标舰船参数变化的敏感性,从而获得较为稳定的下滑轨迹。仿真结果表明了该制导律的可行性,并且该制导律具有较强的鲁棒性。     

基于终端角度约束的二阶滑模制导律设计

针对空地导弹具有终端角度约束条件的制导律设计问题,提出了一种在有限时间内稳定的新型二阶滑模制导律。首先,在弹目相对运动学模型基础上,将终端弹道倾角约束转化为终端视线(LOS)角度约束,作为制导系统的终端控制目标。其次,通过选取一种新型二阶滑模面,结合螺旋控制算法的思想,设计了一种二阶滑模变结构制导律,来抑制系统中的不确定性因素,从而满足零化视线角速率和制导系统的终端角度约束条件的要求。采用一种新的Lyapunov函数,基于Lyapunov稳定性理论,严格证明了制导系统在有限时间内的稳定性。最后,对空地导弹制导系统进行数字仿真,通过和一阶传统滑模制导律以及基于超螺旋算法的二阶滑模制导律进行对比分析,验证了所设计的制导律在保证制导精度的同时,更能在有限时间内提高终端约束角度的精度,并且避免了超螺旋算法中参数选取较多的问题。     

弹道可调的落角约束分数阶滑模制导律设计

针对制导弹道带落角约束的末制导问题,提出了一种基于分数阶微积分理论的时变滑模制导律。可通过提前设置参数调整制导弹道,分数阶的引入增加了制导弹道的可变性和多样性。利用李雅普诺夫稳定性理论证明了制导律的稳定性。采用分数阶积分中值定理,将分数阶微分方程转化为一阶线性微分方程,并求解出状态误差的解析式,最后利用夹逼定理证明了制导律的收敛性。数值仿真结果表明,该制导律在保证高制导精度的同时,可大范围改变弹道形式,使制导弹道复杂多变难以预测。     

Control and stabilization of nonlinear uncertain elastic roboticarm

An approach is presented to the control of an uncertain nonlinear flexible robot arm (PUMA-type) with three rotational joints. The third link is assumed to be elastic. A torquer control law, which is a function of the trajectory error, is derived for controlling the joint angles. The knowledge of the system dynamics is not required for the derivation of the controller. This controller includes a reference model to generate command joint angle trajectories, and a dynamic system in the feedback path which requires only joint angle and rate for feedback. The torquer controller asymptotically decouples the elastic dynamics into two subsystems, representing the transverse vibration of the elastic link in two orthogonal planes. For the damping of the elastic vibration, a force control law using modal velocity feedback is synthesized. Simulation results are presented to show that the combination of the torque and force control law accomplishes reference joint angle trajectory tracking and elastic mode stabilization despite the uncertainty in the system     

Decoupled ultimate boundedness control of systems and largeaircraft maneuver

The robust trajectory control of a class of nonlinear systems which can be decoupled by state-variable feedback is considered. It is assumed that the system matrices are unknown but bounded. A nonlinear control law is derived so that the tracking error in the closed-loop system is uniformly bounded and tends to a certain small neighborhood of the origin. The error dynamics are asymptotically decoupled in an approximate sense. The controller includes a reference trajectory generator and uses the integral feedback of the tracking error. On the basis of this result, a flight control system is designed for the control of roll angle, angle of attack, and sideslip in rapid, nonlinear maneuvers of aircraft. Simulation results are presented to show that large, simultaneous lateral and longitudinal maneuvers can be performed in spite of the uncertainty in the stability derivatives     

Control of nearly singular decoupling systems and nonlinearaircraft maneuver

The author treats the question of control of a class of nonlinear systems using state variable feedback whose input/output map is nearly singular. Although the existing decoupling theory is applicable to such systems, this requires a large amount of control, which may not be permissible. A decoupling approach using state variable feedback in an approximate sense, but requiring a small control magnitude is considered. A decoupling scheme is presented that gives rise to a singularly perturbed system describing the fast dynamics of the control vector. The quasi-steady-state solution of the system gives a control law that decouples the system in an approximate way. The controller includes a servocompensator and a reference trajectory generator. Based on this result, a control law for approximate decoupling of roll angle, angle of attack, and sideslip in rapid, nonlinear airplane maneuvers is derived. Simulated responses of the closed-loop system show that large, simultaneous lateral and longitudinal maneuvers can be accurately performed in spite of uncertainty in stability derivatives     

轨迹跟踪伺服系统的鲁棒复合控制

针对控制输入饱和受限且带有未知扰动的电机伺服系统,提出一种实现曲线轨迹准确跟踪的鲁棒复合控制方案。该方案引入一个参考信号生成器和一个扩展状态观测器,其中参考信号生成器可根据目标轨迹信号构造出对应的状态量,扩展状态观测器用于对系统的状态量和扰动进行估计, 采用反馈与前馈相结合构成最终的控制律。利用Lyapunov理论对闭环系统的稳定性进行了严格分析。在MATLAB中进行了仿真研究,随后在一个DSP控制的永磁直线电机二维伺服平台进行了试验验证。结果表明:所提的控制方案能在轨迹跟踪任务中取得优越的瞬态性能和稳态准确性,而且对目标轨迹和扰动的幅值差异具有较好的鲁棒性。     

标准轨迹制导中准平衡滑翔条件优化研究

对于可重复使用运载器标准轨迹再入制导,准平衡滑翔条件可以将高度-速度平面内各项再入约束形成的飞行走廊,转换为倾侧角-速度空间内的倾侧角走廊.通过在倾侧角走廊内设计倾侧角曲线,可以生成满足飞行走廊的标准轨迹.通过论证标准轨迹再入制导过程中的准平衡滑翔条件及其物理意义,说明了由倾侧角走廊内的倾侧角曲线生成的标准轨迹,存在突破再入飞行走廊边界的可能性.通过对倾侧角走廊边界设置余度,极大地降低了标准轨迹突破再入飞行走廊边界的可能性,提高了标准轨迹的设计成功率.     

基于解析剖面的时间协同再入制导

针对高超声速滑翔飞行器再入段时间协同制导问题，提出一种基于高度-速度剖面的预测校正协同制导律。首先在高度-速度剖面内设计了参考轨迹，利用两个轨迹参数在线预测剩余飞行航程和时间；通过数值算法校正两个轨迹参数以满足航程和时间约束并求取实际控制量，结合侧向航向角走廊实现了单飞行器的时间约束再入制导。在此基础上分析了飞行器的时间可调范围，针对多飞行器协同再入任务设计了协同飞行时间和协同策略，实现了时间协同再入飞行。该策略考虑到再入过程中的通讯困难，避免了弹间通讯，且充分利用了飞行器纵向动力学，时间可控范围较大，更加适用于实际的再入过程。仿真结果说明了时间约束再入制导律对时间的可控性和协同策略的有效性。     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

基于预测控制的导弹俯仰通道制导控制一体化设计

考虑制导和控制之间固有的时间尺度差异,提出基于预测控制设计制导控制一体化策略,通过对动态调节过程的合理预测,更加真实的反应控制量对系统状态的影响。利用连续时间非线性预测控制,以输出跟踪误差和控制能量的组合为性能指标,在线滚动优化得到控制指令,分析了控制律的参数选取,最后通过数值仿真验证了制导控制一体化策略的有效性。     

Adaptive control and stabilization of elastic spacecraft

This work treats the question of large angle rotational maneuver and stabilization of an elastic spacecraft (spacecraft-beam-tip body configuration). It is assumed that the parameters of the system are completely unknown. An adaptive control law is derived for the rotational maneuver of the spacecraft. Using the adaptive controller, asymptotically decoupled control of the pitch angle of the space vehicle is accomplished, however this maneuver causes elastic deformation of the beam connecting the orbiter and tip body. For the stabilization of the zero dynamics (flexible dynamics), a stabilizer is designed using elastic mode velocity feedback. In the closed-loop system including the adaptive controller and the stabilizer, reference pitch angle trajectory tracking and vibration suppression are accomplished. Simulation results are presented to show the maneuver capability of the control system     

Exponential Time-varying Sliding Mode Control for Large Angle Attitude Eigenaxis Maneuver of Rigid Spacecraft

An eigenaxis maneuver strategy with global robustness is studied for large angle attitude maneuver of rigid spacecraft. A sliding mode attitude control algorithm with an exponential time-varying sliding surface is designed, which guarantees the sliding mode occurrence at the beginning and eliminates the reaching phase of time-invariant sliding mode control. The proposed control law is global robust against matched external disturbances and system uncertainties, and ensures the eigenaxis rotation in the presence of disturbances and parametric uncertainties. The stability of the control law and the existence of global siding mode are proved by Lyapunov method. Furthermore, the system states can be fully predicted by the analytical solution of state equations, which indicates that the attitude error does not exhibit any overshoots and the system has a good dynamic response. A control torque command regulator is introduced to ensure the eigenaxis rotation under the actuator saturation. Finally, a numerical simulation is employed to illustrate the advantages of the proposed control law.