拦截弹自适应最优滑模制导和控制一体化设计

针对传统制导和控制分开设计在拦截高速机动目标时的缺陷,设计了一种自适应最优滑模制导和控制一体化算法。首先基于零化视线角速率的思想,建立了制导和控制一体化模型;然后选取视线角速率为滑模面,结合HOSM鲁棒精确微分器参数,提出了一种最优滑模一体化制导和控制算法;最后设计了一种不确定性上界的自适应估计算法。仿真结果表明,与传统的制导和控制分开设计相比,所设计的一体化方法使得拦截弹具有更小的脱靶量,且姿态变化更加平稳。     

基于滑模反演控制方法的纵向制导控制一体化设计

针对高速机动目标的末端拦截问题,研究了拦截弹的制导控制一体化设计算法。首先建立了纵向通道的制导控制一体化模型,利用非线性状态变换将其转换为易于控制算法设计的标准形式,并将目标机动干扰从不确定项中分离出来。然后考虑系统的非匹配不确定性,将滑模控制与反演控制相结合,设计了拦截弹的一体化控制算法。仿真结果验证了所设计算法的有效性和鲁棒性。     

基于二阶滑模控制的驾束制导导弹一体化制导系统设计

针对驾束制导导弹,运用超扭曲二阶滑模控制理论,提出了一种一体化制导控制算法。通过充分考虑目标不确定因素以及控制回路未建模状态,建立了一体化制导控制回路的四阶状态方程。运用该状态方程的转移矩阵,重新定义了零能脱靶量(ZEM),使其不再需要估计剩余时间,并将此作为滑模切换面,设计了一体化超扭曲二阶滑模制导律。通过对目标的拦截仿真,结果表明制导线偏差可在有限时间内收敛到零,从而验证了选择新定义的ZEM作为制导律的滑模切换面是有效的。数字仿真结果也表明了该一体化设计方法明显优于不考虑控制回路的传统制导律设计方法。     

飞行器最优末制导律的自适应PID滑模设计

针对传统最优末制导律作用下再入飞行器易受外界因素干扰和气动力变化的影响,致使命中精度较低、鲁棒性较差的问题,在弹目运动方程存在参数不确定性情况下,提出一种基于自适应PID滑模扰动观测器技术的鲁棒最优末制导律。其中滑模扰动观测器能够在线消除系统扰动影响,而自适应PID滑模可以有效去除抖振。基于Lyapunov稳定性理论的证明过程及数值仿真结果均表明,该末制导律不仅使飞行器各项性能指标均达到指标要求,并且保证了较高的命中精度和较强的鲁棒性。     

高超声速导弹制导控制一体化设计研究

针对高速大机动目标高精度拦截中传统制导控制系统设计时制导与控制回路分离设计问题,研究了将L1自适应控制用于导弹制导控制一体化(IGC)设计的方法。将弹目相对运动分解为纵向与侧向运动,讨论了纵向平面内的设计(侧向平面与其类似)。根据弹目相对运动学关系和纵向平面内轴对称导弹的动力学特性,基于零化视线角速率建立导弹纵向平面制导控制一体化模型。采用L1自适应控制设计了IGC控制器,给出了状态观测器模型和L1自适应律和低通滤波器。数字仿真结果表明:IGC设计能有效提高制导精度,显著增强了拦截系统的鲁棒性和可靠性。     

基于自抗扰控制的弹头制导与控制一体化设计

针对弹头再入过程中存在的强耦合、快时变以及气动参数摄动引起的不确定性等问题,采用自抗扰控制(ADRC)技术设计了再入弹头制导与控制一体化系统。首先建立了含不确定性参数、外界随机扰动以及通道耦合因素的,具有级联形式的制导与控制一体化动力学系统。然后根据级联系统的自抗扰控制方法对系统控制器进行分层设计,各层控制器之间彼此关联构成一体化控制系统。自抗扰控制器内嵌的扩张状态观测器(ESO)可对子系统各通道内的综合不确定性进行实时观测,并在误差反馈控制量中予以动态补偿,从而实现了各通道间的解耦控制。计算结果表明:设计的一体化控制系统能够适应各种复杂飞行环境下的导引需求,控制系统具有良好的动态特性和很强的鲁棒性。     

飞行器制导控制一体化编队控制器设计

针对主从式结构飞行器协同编队控制问题,以侧滑转弯飞行器为研究对象,采用制导控制一体化(Integrated guidance and control, IGC)方法设计编队控制器。首先在惯性坐标系中定义相对运动坐标系,建立相对运动模型,结合飞行器动力学模型,得到全状态制导控制一体化模型;然后采用反演方法,结合滑模变结构与神经网络自适应理论设计了编队控制器,并证明了控制系统稳定性;最后在高速情况下进行了六自由度数值仿真,对比了IGC设计方法与分离设计方法的控制性能。仿真结果表明所设计的IGC控制器能够快速精确地对期望编队队形进行构建与保持,并且较分离设计方法具有优越性。     

基于滑模控制理论的前向追踪制导律研究

高超声速目标速度快,机动性高。使用传统拦截方式对目标进行拦截的难度过高,导致拦截精度下降。为了对高超声速目标拦截具有更高的制导精度,本文采用前向追踪拦截的方式对目标进行三维动态拦截仿真。根据目标与拦截器的运动学及动力学原理建立前向追踪拦截动态模型,该模型要求将低速拦截器置于高速目标之前;设计了一种基于滑模变结构控制理论前向追踪制导律,该制导律通过控制拦截器的法向加速度控制其飞行方向,从而达到拦截的目的;分析目标机动与非机动时拦截器的动态特性,并对目标在机动与非机动时与拦截器的运动轨迹及相关参数进行仿真,仿真结果验证了制导律的可行性。     

BTT导弹的自适应滑模反演控制设计

针对具有非匹配不确定性的BTT导弹非线性动力学模型,结合反演控制、自适应控 制和 滑模控制方法,设计了一种新颖的BTT导弹自适应反演滑模控制器。反演设计的每一步中均 采用具有范数型切换函数的连续滑模控制律,并采用自适应算法对不确定性的上界进行估计 。将虚拟控制量的导数作为不确定性处理,利用自适应滑模控制的鲁棒性对其进行补偿,解 决了“计算膨胀”问题,简化了控制系统的设计,并且设计中无需事先已知气动参数摄动 的上界。采用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差最终有界。仿真结果显示了本文设计方法 的有效性。

     

基于自适应滑模的变质心再入飞行器控制律设计

建立了有纵向单滑块的变质心再入飞行器系统控制模型。对该有输入非线性的快时变多体系统,考虑系统存在参数不确定等因素的影响并将完整的活动质量体动力学环节置入姿态控制,基于滑模控制理论设计了俯仰姿态跟踪鲁棒控制系统。在参数不确定性条件下对飞行控制系统进行了仿真。结果表明：设计的控制律可实现对指令角度和指令位置有效、快速、稳定...     

弹道导弹的自适应模糊滑模控制研究

对弹道导弹的三通道非线性模型进行了分析,为了实现三通道的解耦设计,简化控制系统结构,将通道间的耦合项和干扰项看作是单个通道的不确定项,从而将非线性模型转化为一种解耦形式.在此基础上,采用自适应模糊滑模控制方法设计了弹道导弹的推力矢量控制系统.自适应模糊滑模控制方法利用自适应模糊控制器来调节滑模控制参数,对不确定项的边界进行估计和补偿,保证了系统的跟踪误差指数地收敛到零.仿真结果表明了该控制方法的有效性.     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题,提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束,将上升段IGC问题建模为最优控制问题,基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想,可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性;同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势,有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性;并且仿真结果表明,火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

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。     

基于自适应反推滑模控制的虚拟转台样机研究

针对传统转台串行设计模式存在的缺陷，基于虚拟样机技术、自适应滑模控制器与有限元等技术作为支持，提出了虚拟仿真转台的系统构想。其中针对实际转台系统的未知非线性、外界干扰和参数摄动等不确定因素的影响，设计并实现一类自适应滑模控制器进行虚拟转台系统的实时控制。同时，通过ADAMS软件平台实现了虚拟转台样机系统及其功能，并将自适应滑模控制器调入虚拟转台样机，最终实现机械模型和控制方法进行联合仿真分析，获得最终虚拟转台的特性。仿真结果表明，虚拟转台样机的设计与实现大大提高了转台的设计效率，为后续转台的控制系统渊试提供强大的技术支持。     

攻击固定目标的飞行器制导控制一体化设计

对于攻击地面固定目标的飞行器,提出一种非线性制导律和控制方法。制导和控制一体化的设计方法充分考虑了制导和控制回路的不确定性和未建模动态。对于系统的非匹配不确定的特点,设计了特殊的终端滑模切换面和相应的控制策略,使得系统在有限时间内收敛到终端滑模面。分析表明滑模控制器保证了闭环系统的稳定性。数学仿真验证了此方法的有效性。     

目标加速度未知下的导弹自适应滑模拦截制导

针对机动目标拦截过程中加速度信息难以获取的实际问题,设计了一种基于RBF神经网络的自适应滑模拦截制导律,有效提高了导弹制导系统的鲁棒性能。首先,结合空间几何知识,构建了弹-目三维空间相对运动模型;然后,利用RBF神经网络对拦截目标的未知加速度进行了有效估计,消除了制导设计对目标加速度信息的依赖性;在此基础上,结合零化视线角速率的制导理念,分别在导弹俯仰平面和偏航平面设计了对应的自适应滑模制导律,同时采用连续高增益法削弱了系统的抖振现象,并给出更符合导弹制导实现的法向过载指令,利用Lyapunov定理证明了所提方法的收敛性;最后,通过仿真验证,在三种不同的拦截场景下进行了仿真对比,仿真结果表明所提滑模拦截制导律对目标机动有较高的自适应性和鲁棒性。     

压电自适应桁架结构控制一体化设计

针对压电自适应桁架结构,建立了含有主动元件位置的结构控制一体化设计数学模型,以结构重量作为目标函数,以结构静、动态响应作为约束函数,同时优化结构设计参数、控制参数和主动元件的位置。提出一种解决混合变量一体化设计问题的新方法,该方法将近似概念、遗传算法和对偶法相结合。首先采用组合多点近似函数建立原问题的序列近似问题,再对近似问题中的(0,1)离散变量和连续变量采用遗传算法和对偶方法分别寻优的分层优化策略。算例表明本文方法由于遗传算法只用于求解近似问题,因此只需要很少的结构分析次数就能得到最优解或近似最优解。     

三维攻击角度约束部分制导控制一体化设计

针对侧滑转弯(STT)导弹带有攻击角度约束的机动目标拦截问题,提出一种基于自适应终端滑模动态面控制的三维部分制导控制一体化(PIGC)设计方法。首先,建立了针对机动目标拦截的侧滑转弯导弹三维部分制导控制一体化设计模型,且不需要导弹速度微分体轴系分量信息。然后,使用终端滑模控制理论构建误差向量与虚拟控制量,达成精确拦截与攻击角度约束的控制目的;引入有限时间非线性收敛扩张状态观测器(ESO)来在线估计系统不确定性;设计自适应算子与自适应更新律对观测器的估计误差进行补偿,以提高方法的鲁棒性。最后,三维空间拦截仿真校验了方法在提高拦截精度与增强角度约束收敛性能的有效性。     

基于时延预测的网络控制系统自适应滑模控制

针对具有未知外界干扰和模型不确定性的网络控制系统,提出一种带干扰观测器的自适应离散滑模控制器。采用自回归(AR)模型预测法在线预测前向通道时延。通过线性转换,将时延相关系统转化为时延无关系统,然后在离散时间域下针对转化后系统设计控制器。设计滑模控制器时引入干扰观测器,无需已知干扰上界,仅对干扰变化率进行限制。设计滑模切换控制增益为指数函数形式,减小系统抖振并保证滑模运动的快速收敛。证明了转化后系统的渐进收敛性。对一个网络化位置伺服系统进行仿真,结果表明所提方法对时延和外界干扰具有良好的补偿作用,且对丢包有一定鲁棒性。     

红外拦截弹输出反馈制导控制一体化设计

针对采用红外导引头的拦截弹,提出一种基于滑模观测器的制导控制一体化(IGC)控制方法,在导弹的部分状态已知和非匹配不确定性影响下,确保了其高精度拦截效果。首先,由于采用红外导引头的拦截弹的视线(LOS)角速率难以获取,系统将不满足干扰估计的匹配条件,设计了一种新型滑模观测器,通过构造补偿滑模观测器,同时实现导弹的未知状态和干扰的有限时间精确估计。然后,利用未知状态和干扰估计信息,设计反步控制器实现导弹的制导控制一体化,证明了系统的有界稳定。仿真结果表明,本文提出的方法可以获得较小的脱靶量,且对存在的不确定性具有较强的鲁棒性。