视场受限制导与控制一体化设计

针对拦截弹视场受限问题,提出了一种基于动态面控制和自适应扩张状态观测器(ESO)的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先,建立基于目标拦截过程的拦截弹运动方程和非线性动力学方程的IGC模型;其次,设计自适应ESO估计导弹自身信息干扰和目标加速度误差。然后,设计基于动态面控制的IGC算法获取虚拟控制力矩,并利用李雅普诺夫(Lyapunov)理论证明系统稳定性。仿真结果表明,所设计的IGC算法能够实现在视场受限情况下稳定制导和控制导弹姿态,满足动能碰撞杀伤目标的要求,可用于导弹制导和控制系统设计。     

基于非奇异终端滑模的复合控制导弹反演设计

针对轨控式复合控制导弹制导末端的姿态控制问题,结合反演控制、二阶非奇异终端滑模和非线性干扰观测器技术,设计了一种新的反演滑模姿态控制方法.在反演设计的第一步采用动态面法,避免了传统反演设计存在的“计算膨胀”问题,并使姿态角跟踪误差收敛至原点附近任意小的邻域内;第二步设计引入了二阶非奇异终端滑模,使得角速率跟踪误差在有限时间内收敛至零,同时消除控制量的抖振现象.采用非线性干扰观测器补偿系统不确定性,并基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有误差信号最终有界.仿真结果表明了所设计的轨控式复合控制导弹制导末端姿态控制方案的正确性与有效性.     

滚转舰炮制导炮弹的空间多约束导引与控制一体化设计

在大口径舰炮制导炮弹打击近岸机动目标的末段，考虑攻击角、控制受限、视线（LOS）角速率测量受限等约束，提出了一种基于块动态面与扩张状态观测器（BDSESO）的多约束空间导引与控制一体化设计（IGC）方法。构建了滚转制导炮弹的空间导引与控制一体化的严块反馈串级模型，运用扩张状态观测器估计视线角速率和目标机动、建模误差、风等系统内外不确定干扰。为了在有限时间内零化视线角跟踪误差与视线角速率，采用自适应指数趋近律设计非奇异终端滑模，通过自适应动态面控制有效镇定串级系统并避免微分膨胀，引入自适应Nussbaum增益函数补偿控制受限的饱和非线性。通过Lyapunov理论证明了视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性与全系统状态的一致最终有界性。半实物仿真实验表明：该方法使制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时，均具备较好的末制导性能。     

导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法

针对导弹俯冲打击地面目标的问题,基于扩张状态观测器(ESO)和反步滑模设计思想,提出一种导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法。充分考虑制导与控制系统之间以及控制系统三通道间的耦合关系,建立了制导与控制一体化三通道耦合模型。通过ESO对导弹运动六自由度(6DOF)系统内各通道间的动态耦合项和不确定性进行实时观测和动态补偿,实现通道间的主动解耦,从而设计了基于ESO的导弹制导与控制一体化三通道解耦控制律。同时,为了解决在使用ESO对高阶非线性系统进行状态观测时引起的"运算膨胀"问题,通过设计自适应控制律对ESO观测误差进行补偿。基于李雅普诺夫稳定性准则证明了闭环系统所有状态最终一致有界。并与制导与控制一体化三通道独立设计方法和传统的制导与控制系统设计方法进行对比仿真,结果验证了基于ESO的导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法的有效性和优越性。     

高超声速飞行器全局有限时间姿态控制

针对飞行中气动参数剧烈变化的高超声速飞行器(Hypersonic Vehicle,HSV)的姿态控制问题,提出了一种基于非线性积分滑模的全局有限时间控制策略。首先,根据多时间尺度理论将HSV姿态控制系统分为慢回路子系统和快回路子系统;其次,对快慢回路分别设计非线性积分滑模全局有限时间控制器和非线性干扰观测器,以实现系统的全局有限时间稳定;利用干扰观测器对气动参数变化引起的模型不确定性进行精确估计,从而实现控制器的有效补偿,并基于Lyapunov理论证明了整个系统全局有限时间稳定。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的控制性能和强鲁棒性。     

考虑输入饱和的制导控制一体化设计

高超声速飞行器俯冲时具有快时变特性,执行机构限于物理约束极易导致控制输入达到饱和,针对该问题提出考虑输入饱和约束的制导与控制一体化设计方法。首先,建立纵向制导与控制一体化设计模型,采用干扰观测器对系统不确定性进行估计补偿,然后结合加幂积分方法与嵌套饱和方法设计了新的制导控制一体化非线性控制律。通过严格的理论分析证明了带有饱和约束的控制器可令系统状态全局有限时间稳定,由于控制律中的虚拟控制量均考虑了饱和约束,做到了全局协调抗饱和,从而可更充分地利用飞行器控制能力去实现精准控制。数值仿真实例验证了提出方法的有效性及鲁棒性。     

基于扩展状态观测器的电动负载模拟器反演滑模控制

针对电动负载模拟器中存在的强位置扰动、摩擦、间隙非线性以及参数时变等不确定干扰,提出了一种基于扩展状态观测器的反演滑模控制策略。基于反演设计的思想,将电动负载模拟器分解为负载力矩子系统和永磁同步电机驱动子系统。对负载力矩子系统,利用带有滤波器的扩展状态观测器,消除量测噪声对系统的影响,同时估计出系统中存在的干扰,而后采用比例趋近滑模控制律,得出负载力矩子系统所对应的虚拟控制量;对永磁同步电机驱动子系统,利用常规扩展状态观测器估计出子系统中的复合扰动,采用非奇异终端滑模控制律,消除观测误差以及干扰对系统的影响,并得出系统所需的最终控制量。最后,利用李雅普诺夫方法证明了电动负载模拟器的稳定性,并通过实验验证了所提方法的有效性。     

基于全驱系统方法的制导控制一体化设计

针对滑行转弯导弹拦截高机动目标的制导控制系统设计问题,提出了一种基于全驱系统和反步法相结合的制导控制一体化设计方案。首先,考虑目标的机动特性,建立了二阶严格反馈的制导控制一体化非线性模型,消除了中间过程量,简化了建模和计算过程。其次,设计降阶状态观测器,对包含目标未知机动、系统未建模部分、气动参数等扰动进行估计,并在控制器中进行前馈补偿。随后,基于高阶全驱系统方法,结合反步控制方法,设计具有拦截角度约束的制导控制一体化方案,使用极点配置方法,得到闭环系统控制系数矩阵,满足期望的系统性能。引入Lyapunov函数,证明闭环系统稳定性。最后,通过不同场景和对比仿真试验,证明了所设计的制导控制一体化方案的有效性、优越性和鲁棒性。     

考虑驾驶仪动态特性的固定时间收敛制导律

针对打击机动目标的制导问题，设计了一种同时考虑攻击角度约束、自动驾驶仪动态特性和固定时间收敛的新型制导律。首先，基于非奇异终端滑模控制和固定时间稳定性理论，采用反步递推方法设计制导律。在制导律设计过程中，设计了一种固定时间收敛的非奇异终端滑模面，基于固定时间控制和滑模控制，设计虚拟控制律，构造一种非线性一阶滤波器解决传统反步设计中的"微分膨胀"问题。基于超螺旋算法和固定时间稳定性理论，设计了一种固定时间收敛的滑模干扰观测器，用于估计目标机动等干扰。然后，基于Lyapunov稳定性理论，对制导律的固定时间稳定性进行了证明，并给出了收敛时间的表达式。最后，通过仿真分析，验证了所提制导律的有效性，和现有制导律相比，所提制导律具有较高的制导精度和角度约束精度、较快的系统收敛速度以及较少的能量消耗。     

导弹鲁棒高阶滑模制导控制一体化研究

针对传统制导与控制系统分开设计在拦截高速机动目标时的缺陷,提出一种高阶滑模制导控制一体化方法.综合考虑弹目拦截几何与导弹动态,根据零化视线(LOS)角速率的准则,将导弹制导控制问题转化为一个三阶积分链系统的镇定问题.基于几何齐次理论设计了标称系统的全局有限时间镇定控制律,同时针对目标机动和导弹气动参数摄动等带来的不确定性,利用超扭曲算法(STA)设计了补偿控制律.仿真结果表明,与传统制导与控制系统分开设计相比,本文所提出的鲁棒高阶滑模制导控制一体化方法具有更小的脱靶量,且导弹姿态和控制舵偏角的变化更加平缓.     

Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot

A novel integrated guidance and autopilot design method is proposed for homing missiles based on the adaptive block dynamic surface control approach. The fully integrated guidance and autopilot model is established by combining the nonlinear missile dynamics with the nonlinear dynamics describing the pursuit situation of a missile and a target in the three-dimensional space. The integrated guidance and autopilot design problem is further converted to a state regulation problem of a time-varying nonlinear system with matched and unmatched uncertainties. A new and simple adaptive block dynamic surface control algorithm is proposed to address such a state regulation problem. The stability of the closed-loop system is proven based on the Lyapunov theory. The six degrees of freedom (6DOF) nonlinear numerical simulation results show that the proposed integrated guidance and autopilot algorithm can ensure the accuracy of target interception and the robust stability of the closed-loop system with respect to the uncertainties in the missile dynamics.     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

攻击地面固定目标寻的导弹的一体化制导与控制(英文)

This paper presents a scheme of integrated guidance and autopilot design for homing missiles against ground fixed targets. An integrated guidance and control model in the pitch plane is formulated and further changed into a normal form by nonlinear coordinate transformation. By adopting the sliding mode control approach, an adaptive nonlinear control law of the system is designed so that the missile can hit the target accurately with a desired impact attitude angle. The stability analysis of the closed-loop system is also conducted. The numerical simulation has confirmed the usefulness of the proposed design scheme.     

弹道导弹GPS/SINS组合制导品质控制研究

给出了可提高战术弹道导弹射击精度的ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合制导模型。在给出多模Ｋａｌｍａｎ滤波（ＭＫＦ）数学模型的基础上和建立了可对ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合制导进行在线故障检测，故障了和系统重构的品质控制方案对于系统的重构，提出了鲁棒性处理方法。仿真结果表明：基于ＭＫＦ的ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合制地与单独捷联惯导相比，可使导弹射击精度和到明显提高，组合地的品质也得到了有效控制。     

一种改进的最优制导律及其仿真研究

高速再入飞行器通常具有末制导系统，为保证末制导系统的正常工作，制导律的设计不但要保证末端制导精度，还要使飞行器以一定的速度到目标，提出了一种改进的最优制导律设计方法，得到了可以保证末端速度方向的制导律，速度大小控制通常靠理想速度曲线来保证，按一定的规则将最优制导律与理想速度曲线结合起来就得到了满足全部要求的制导律。仿真结果表明：所提出的改进的最优制导律是合理、有效的。     

一种在线再入侧向制导方法

侧向制导是飞行器再入制导的重要组成部分,由于传统侧向制导方法不能对倾侧角反转次数进行在线优化,往往会给再入飞行器姿态控制系统的设计带来沉重负担.为此,利用伪谱法可在线快速求解优化问题的特点,提出了一种基于伪谱法的在线再入侧向制导方法,并结合纵向预测校正制导法进行再入制导解算以缩减优化规模.仿真结果表明,在保证制导精度的前提下,所提方法有效地减少了倾侧角反转次数.     

攻击角约束的拦截弹制导控制一体化设计

针对拦截弹的攻击角约束制导问题,提出了一种基于反演滑模和扩张状态观测器(ESO)的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先,基于弹目相对运动方程和拦截弹的非线性动力学方程,建立了拦截弹IGC模型,设计了ESO估计目标加速度和自动驾驶仪回路的干扰;在此基础上,基于干扰估计值和反演滑模方法,设计了IGC算法获取虚拟控制力矩,同时基于李雅普诺夫理论分析了闭环系统的稳定性;然后,利用动态控制分配技术将所获取的期望控制力矩分配到实际执行机构;最后,通过仿真结果验证了所设计的IGC+ESO算法的有效性。     

综合飞行/推进控制系统的鲁棒设计方法

基于凸多面体线性系统族镇定方法和航迹准稳态运动概念，研究了现代攻击机的综合飞行／推进控制系统的鲁棒设计方法。该方法根据航迹准稳态运动的条件。生成航迹准稳态运动的期望控制量和状态量，以航迹准稳态运动为基准运动建立综合系统的线性系统族模型，采用凸多面体线性系统族鲁棒镇定方法设计了综合控制系统的反馈调节控制器。数学仿真表明，所设计的综合控制系统对攻击机推进系统输出推力的变化具有大范围的鲁棒性，在推力开环控制下能够获得良好的系统动态性能和战术性能。     

Integrated guidance and control design of a flight vehicle with side-window detection

This paper considers the guidance and control problem of a flight vehicle with side-window detection. In order to guarantee the target remaining in the seeker's sight of view, the line of sight and the attitude of the flight vehicle should be under some constraints caused by the side-window, which leads to coupling between the guidance and the attitude dynamics model. To deal with the side-window constraints and the coupling, a novel Integrated Guidance and Control (IGC) design approach is proposed. Firstly, the relative motion equations are derived in the body-Line of Sight (LOS) coordinate system. And the guidance and control problem of the flight vehicle is formulated into an IGC problem with state constraints. Then, based on the singular perturbation method, the IGC problem is decomposed into the control design of the quasi-steady-state subsystem and the boundary-layer subsystem which can be designed separately. Finally, the receding horizon control is applied to the control design for the two subsystems. Simulation results show the effectiveness of the proposed approach.     

基于普通分离原理的制导/估计综合设计方法

现有的先进制导律研究常常分离设计最优估计器和最优制导律,但是这种分离设计没有被证明是有效和最优的设计方法.本文基于普通分离原理(GST),提出一种制导/估计综合设计方法.首先,将拦截器反导作战模型考虑为一类非线性、非高斯追逃拦截问题,建立了噪声环境中追逐-逃逸对策模型;其次,引入追逃未达集概念,利用几何方法将估计器设计...