一种基于有限时间理论的抗饱和制导律设计方法

针对制导过程中一些状态可能进入饱和进而影响系统性能的问题,结合制导系统的特点,在有限时间理论框架下提出一种抗饱和制导律设计方法。首先以矩阵不等式的形式给出了保证有限时间有界且有限时间输入输出稳定的充分条件;而后在此基础上研究了基于有限时间理论的抗饱和制导律设计方法。此方法利用事先给定的有限时间区间和加权矩阵函数刻画系统的动态品质需求,同时能在理论上严格保证系统状态有界,仿真结果也表明在此方法设计的控制器作用下,系统能在有限时间内使视线角速率趋近于零,同时加速度亦不超过物理限制。     

有界控制导弹随机最优制导律

为削弱加速度界和系统噪声对拦截导弹性能的影响,基于随机控制理论,设计了一种考虑有界控制的随机最优制导律(stochastic optimal guidance law,SOGL)。通过系统降阶与性能指标变换和随机输入描述函数近似,将拦截导弹的控制有界和状态估计误差考虑到了该制导律的设计当中。同时,为削弱目标加速度估计延迟的影响,提出了一种SOGL的补偿形式,并基于Monte Carlo方法进行了仿真验证。结果表明,SOGL相比于传统的最优制导律性能得到了明显改善,而其补偿形式削弱了滤波器估计延迟的影响,更适用于目标机动存在切变的情形。     

航天器姿态控制输入饱和问题综述

针对航天器姿态控制输入饱和问题的解决方法进行了梳理和归纳，将技术途径主要分为三类，对每一类中具体方法的设计思想、数学形式及工作特征进行了分析与比较，总结得出特点、效果效用以及适用范围，主要有：1) 控制律整体考虑饱和类：如饱和函数法、限幅函数法、切换函数法、抗饱和控制等。由于可高效发挥执行机构能力，但形式复杂，适用于对调节时间有要求、计算能力强的航天器快速姿态机动任务；2) 控制律各项分别考虑饱和类：如类PD控制、反步法等。由于设计简单，但执行机构不能充分利用，适合对调节时间无要求或低成本小卫星的姿态调节任务；3) 考虑饱和约束的优化类：如时间/能量/燃料最优控制及混合指标最优等。由于可用于多约束指标最优问题，但计算量大且依赖精确数学模型，适合于大型航天器的最优姿态机动任务或未来航天器控制任务。本文工作以期为实际任务提供有效支撑。     

高超声速飞行器多约束鲁棒姿态控制器设计

针对高超声速飞行器机动飞行过程中存在的攻角约束和执行机构饱和非线性问题,提出一种兼顾多约束和控制性能的鲁棒姿态控制方法。首先,采用基于动态面法的积分型障碍Lyapunov函数(IBLF)保证攻角始终处于约束区间,同时避免了传统反演法的"微分膨胀"问题;然后,设计辅助误差子系统并引入控制律,降低了高超声速飞行器输入饱和非线性对闭环系统的影响,提高了系统的控制性能。此外,本文还引入非线性干扰观测器对参数摄动及外部干扰进行估计和补偿,增强了控制律的适应性。最后,通过Lyapunov理论证明了该方法能够确保控制系统的闭环稳定性,且闭环系统所有信号均一致有界。数值仿真结果校验了本文控制器设计的有效性。     

基于H∞理论的微小卫星姿态磁控制

将H∞磁姿态控制律用于有外界扰动和结构化摄动的圆轨道微小卫星姿态控制系统。给出了H∞控制算法,并从理论上证明了系统的稳定性。通过将地磁场近似为偶极子,把时变Riccati方程的求解简化为时不变Riccati方程的处理,同时引入扩张因子以避免出现饱和。理论分析和仿真试验结果表明,该姿态控制律可行,其姿态控制精度高、鲁棒性强。     

月球软着陆多项式制导控制方法

以燃耗最优性为出发点,假设垂直方向上的最优着陆轨迹可以由一关于时间的三次多项式来完全表示,根据开环最优制导设计了月球软着陆的多项式制导控制律。通过对加速度矢量之间的几何关系进行分析可以得到制导控制量-推力方向角的显示表达式。该制导律表达式是剩余时间的函数,而给出的剩余时间表达式只与着陆器的状态变量和终端约束有关,无须进行迭代计算,是一种易于实现的次优闭环实时制导控制方法。     

基于MRP的航天器无角速度姿态控制算法

对适于不携带惯组的小型航天器的姿态控制律设计进行了研究.考虑航天器实际运行中饱和广泛存在,在控制器设计中引入饱和特性函数,为改进饱和阀限引入双曲余弦函数.用一阶无源滤波器对姿态参数进行差分,提出了基于修正罗德里格参数(MRP)的采用饱和函数和双曲余弦函数的无角速度控制律.理论分析证明了系统的稳定性,数学仿真结果验证了这两种无角速度反馈控制律的有效性.提出的控制方法也可作为普通航天器惯组失效时的备份控制律.     

基于自适应幂次切换增益的动能拦截滑模制导律

抖振问题限制了非线性变结构制导的应用。运用幂函数作为切换增益函数并设计全局鲁棒的滑模,构成自适应趋近律,实现切换线平滑趋近,形成基于自适应幂次切换增益的滑模制导律AP-SMG。给出其存在可达与稳定条件,并对空间目标的非机动和脉冲/连续机动环境作了仿真比较与参数分析。结果表明该制导律在动能拦截中可以有效削弱甚至消除视线角速率和控制律抖振,降低所需控制能量的同时能够保证制导精度,构造简单,无需智能结构辅助,总体性能优于基于常值切换增益的系列制导方法C-SMG。     

考虑自动驾驶仪动态特性的含攻击角约束的反演递推制导律

针对制导武器需要攻击角度控制的要求及自动驾驶仪动态特性对制导效果的不利影响,提出了考虑自动驾驶仪动态特性补偿、具有末端攻击角约束的反演递推制导律。首先结合反馈线性化技术,利用本文推广的积分反演定理设计了二阶子系统的虚拟控制律;然后进一步应用反演递推方法推导了考虑自动驾驶仪动态特性的含攻击角约束的制导律,并通过李雅普诺夫稳定性理论详细地证明了该制导律对于视线角和视线角速率的指数收敛特性。在实例应用仿真中,给出了该制导律的具体实现方法,比较了该制导律与其他制导律的制导性能,检验了该制导律对不同作战任务的制导效果。仿真结果表明,该制导律具有良好的性能和工程应用推广价值。     

导弹拦截H_∞鲁棒制导律设计

针对导弹在目标拦截过程中的特点,以H∞控制理论为基础,应用Lya-punov函数稳定性的分析方法设计了寻的导弹鲁棒制导律.该制导律中将目标机动看作系统的有界外部扰动,导弹的法向加速度作为控制输入,通过参数设置导弹的弹道性能,不需要对目标机动信息进行估计并且避免了复杂的Hamilton-Jacobi不等式的求解.仿真结果表明此制导律具有较好的鲁棒性和拦截效果,对外部扰动起到了很好的抑制作用.     

基于红外/毫米波复合制导律设计

基于红外/毫米波复合导引系统,针对空地导弹攻击地面目标问题,提出了一种新的具有强鲁棒性的非线性末制导律.基于弹目相对运动学的非线性关系,以相对距离作为状态,同时将目标机动作为系统有界扰动,建立了弹目相对运动的数学模型.基于红外和毫米波复合导引系统获得的测量信息,采用滑动模态控制方法,以优化制导精度为目标,设计了一种自适应非线性变结构控制律.该方法利用Lyapunov稳定理论严格证明了制导闭环系统的全局渐近稳定性.数字仿真表明,这种制导律对地面运动目标具有很强的鲁棒性和适应性,并能获得良好的制导精度.     

基于零脱靶量设计的变结构末制导律

对于三维目标拦截问题,提出了一种新的具有强鲁棒性的末端导引律。该方法将目标的机动加速度视为已知的有界扰动,考虑了导弹自动驾驶仪的动态特性,基于导弹对目标的零脱靶量综合设计了非线性三维变结构鲁棒末制导律。理论分析与数字仿真表明这种制导律不但具有优良的弹道特性,而且对目标机动都具有很强的鲁棒性和适应性,同时方法简单,易于理解,便于工程应用。     

空空导弹大角度姿态推力矢量控制研究

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹敏捷转弯方法，研究了空空导弹的大角度姿态机动控制律。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看做快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律。利用动态逆方法设计了快子系统控制律。分析了控制系统的鲁棒性和稳态精度。仿真结果证明了所提控制方法能够大大减小空空导弹大角度姿态机动时各种力矩干扰的影响。最后给出了采用姿态控制实现的越肩发射的仿真结果。     

再入飞行器大攻角飞行时的姿态控制律设计

再入飞行器大攻角飞行时,会造成方向舵失效,且较小的滚转角速度,就可能导致舵偏指令饱和,对此,本文设计了一种在方向舵失效情况下的抗饱和姿态控制律。该控制律首先基于时标分离假设,将再入飞行器大攻角飞行时的姿态运动模型分解成快、慢回路子系统,然后采用新型的高阶滑模控制律,设计出了一种有限时间收敛且连续可导的慢回路控制器;针对快回路子系统,结合分层滑模控制理论和自适应控制理论,设计了具有抗输入饱和功能的自适应分层滑模控制器。对以上控制器进行仿真验证,结果表明该控制律在大攻角飞行造成偏航舵失效情况下,具有良好的抗饱和姿态控制能力。     

基于Hopfield神经网络的最优滑模制导律研究

本文的研究目的在于使制导律既保留最优制导动态性能好、节省能量的优点,同时又对有界机动目标具有良好的鲁棒性。首先,在导弹-目标追逃问题的相对运动学关系的基础上,我们根据制导动态性能好、节省制导能量要求,构造了线性二次型性能指标,利用Hopfield神经网络在线实时求解该最优制导问题,克服了实际中的最优制导难于求解的问题;同时为了在拦截有界机动目标时,保证视线角速率趋于零,又将滑模控制理论引入到制导律的设计中,并利用Lyapunov稳定性理论对该新型导引律的稳定性进行了证明。仿真结果表明该导引律能够对有界机动目标具有较强的鲁棒性,保证了导弹在追逃过程中使视线角速率趋于零,导弹的指令加速度较小。
     

多约束下考虑控制饱和的自适应末制导方法

对地攻击飞行器在末制导过程中需满足导引头视场、攻角、落角等多种约束。针对这一问题提出一种多约束下的制导方法。将多约束下的制导问题转化为具有控制饱和的线性系统的镇定问题。针对该问题,利用基于参量Lyapunov方程的低增益反馈设计方法,推导带低增益参数的纵向制导律。借助Lambert W函数,研究闭环系统状态收敛特性与低增益参数的关系,给出低增益参数的自适应整定方法。通过该方法在线调整参数,使各约束条件得到满足。通过数值仿真对提出的制导方法进行校验。仿真结果表明,提出的制导方法满足约束条件且获得较高的制导精度。     

自适应控制方法的直接命中目标本体的平行接近制导律

本文在最少量测条件下采用视线角速度ｑ趋于零的指标函数和低阶等效辨识模型与快速自适应控制方法实现了战术导弹的平行接近制导律。这种最优制导律可以实现直接命中目标本体，实现一弹多用，可以用于反导弹的控制。能使制导装置简化并使其尺寸和重量减小，算法简单易于工程使用。经过大量数学和半实物仿真试验表明，上述成果可应用于实际工程当中。     

基于机器学习的卫星姿态控制律设计

传统的优化算法只能针对给定控制律的指定参数进行优化.机器学习的方法,不仅进化参数,而且可以按给定准则进化出卫星姿态控制律表达式.建立卫星姿态动力学模型及敏感器和执行机构的原理与误差模型,构成含噪声的单自由度的闭环数字仿真系统.统计一段时间内仿真结果的姿态精度和稳定度作为该控制律的适应度函数.针对姿态控制律选定合适的函数...     

一种强鲁棒变结构制导设计

传统制导拦截模型可用一组方程来描述,由于该方程是耦合的,对其进行制导律的设计时,往往假定导弹在瞄准线方向不可控,但这样必然产生较大的模型误差。文中将传统制导方程进行变换得到其状态空间形式,根据导弹和目标各自加速度沿瞄准线(LOS)方向及其垂直方向的分量之间的物理关系对状态方程降维,然后通过引入有界参数变量,得到含有控制不确定性和外部干扰的描述形式,进而按照不确定系统变结构控制原理设计了制导律。由于制导律设计时考虑了导弹法向加速度分量的相关性、不同状态对拦截模型不确定性影响和外部干扰,所以具有强鲁棒特性.仿真结果表明这种制导律在合理参数选取下其抗目标机动能力强、脱靶量小、过载要求低、无控制抖动问题。
     

带末端攻击角约束连续有限时间稳定制导律

针对制导武器末端攻击角约束与末端弹道尽可能平直的要求,应用有限时间控制方法,设计了具有末端攻击角约束的连续有限时间稳定制导律,使闭环制导系统在有限时间内视线角速度收敛到零和视线角收敛到期望值。通过非线性控制系统的有限时间稳定齐次性理论对该制导律进行了分析,证明了闭环制导系统的视线角速度和视线角全局有限时间稳定特性,并基于有限时间Lyapunov稳定性理论给出了闭环制导系统有限停息时间的表达式。在实例应用仿真中,比较了该制导律与最优制导律的制导性能,检验了该制导律在不同作战任务下的制导效果。仿真结果证实了该制导律的有效性和鲁棒性。