考虑攻击角度和视场角约束的自适应终端滑模制导律

针对导弹拦截机动目标的末制导问题,基于有限时间滑模控制理论设计一种带有攻击角度和导弹视场角约束的制导律.首先,将导弹末制导问题转化为带有状态约束的制导系统稳定问题,设计一种新型的非奇异终端滑模面和时变的障碍Lyapunov函数,给出一种终端滑模制导律的设计方法,并针对目标机动的不确定性设计一种对目标机动上界的自适应估计;然后,通过稳定性理论证明制导系统的状态变量最终是有限时间收敛的,并且结合时变的障碍Lyapunov函数和滑模面的设计特性证明在末制导过程中视场角约束条件始终不会被违背,相比于现有的考虑视场角约束的制导律,该制导律不存在指令转换,能够加快制导系统收敛速率,增强制导系统的抗干扰能力;最后,通过仿真实验验证所提出制导方法的有效性.     

带攻击角度约束的非奇异终端滑模固定时间收敛制导律

针对拦截机动目标的末制导问题,设计一种带攻击角度约束的末制导律.该制导律构造一种新型的固定时间收敛非奇异终端滑模面,能够在解决终端滑模面奇异性问题的同时使得滑模面、弹目视线角和弹目视线角速率在固定时间内收敛,保证收敛时间的上界是独立于弹目初始条件,可以被预先设定的.与传统的固定时间收敛控制相比,该制导律通过调节滑膜面和弹目视线角误差的趋近律指数使得制导系统收敛速率更快.同时,针对目标机动引起的未知扰动,引入一种扩张状态观测器进行估计,能够增强制导系统的鲁棒性,避免震颤现象的发生.最后,通过仿真实验验证所提出制导律能够以不同的攻击角度对机动目标进行有效拦截,且与其他制导律相比,所提出的制导律使得制导系统收敛更快,导弹拦截时间更短,拦截精度更高.     

考虑终端角度约束的自适应积分滑模制导律

针对机动目标拦截末制导问题,提出一种考虑终端角度约束的自适应积分滑模制导律.首先给出一种有限时间收敛的非线性积分滑模面,采用快速终端滑模设计趋近律;然后设计一种对目标机动加速度上界平方进行估计的自适应律,给出具有光滑特性的自适应积分滑模制导律;最后基于有限时间理论证明闭环系统的有限时间收敛特性,并给出滑模变量、视线角以及视线角速率的收敛域.数值仿真结果验证了所提出设计方案的有效性.     

带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模制导律

本文利用先进的终端滑模控制和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种非奇异、本质上连续和有限时间收敛的带攻击角度约束的制导律,它可用于打击固定、匀速运动和机动目标.为了在有限时间内高精度地获得给定的攻击角度并不出现奇异问题,非奇异快速终端滑模函数被用于设计滑模面.快速终端滑模函数被用于设计趋近律,在整个到达阶段系统轨迹可以从任意初始状态快速地收敛到滑模面并形成本质上连续的制导律.由于非奇异、本质上连续和全局快速收敛的特性,和传统的终端滑模制导律相比,本文方法可以在更短时间内以更高精度的攻击角度对目标实施打击.大量的仿真算例表明了本文制导律的有效性.     

改进的考虑自动驾驶仪动态特性的有限时间滑模导引律

为减小导弹自动驾驶仪延迟特性对制导精度的影响,考虑到实际战争中制导末段时间很短,推导了考虑导弹动态特性的有限时间收敛的制导数学模型;其次根据滑模控制理论设计了基于该数学模型的导引律;证明了所设计的导引律在制导系统中有限时间稳定;为削弱滑模导引律的抖振现象,利用双曲正切函数改进了导引律。仿真表明:改进的导引律在目标做非机动和机动的情形下均能在有限时间内快速跟踪目标的运动,并保持较高的制导精度。     

考虑自动驾驶仪与角度约束的制导律设计

以末端拦截高机动目标为背景,针对带有攻击角约束和自动驾驶仪动态特性情形下的二维平面制导问题进行了研究分析。在提出固定时间终端滑模面基础上,通过自适应算法在线估计干扰的上界值,针对带有攻击角约束和自动驾驶仪动态特性的制导系统模型设计了自适应终端滑模制导律,使得系统状态在有限时间内趋于零附近任意小的区域。利用李雅普诺夫理论对所设计制导策略给出了严格的稳定性证明,仿真结果验证了所提制导方案的有效性。     

含攻击角约束的网络化弹药分布式模糊协同制导律

在舰炮网络化弹药打击近岸机动目标的末制导段,提出了一种考虑攻击角约束的有限时间分布式模糊协同制导律.构建网络化弹药–目标相对运动模型,设计扩张状态观测器估计目标的切向、法向加速度.在视线切向,为保证命中时刻在有限时间内趋于一致,采用积分滑模设计分布式有限时间协同制导律;在视线法向,为在有限时间内零化视线角误差、视线角速率并改善控制指令终端发散现象,采用非奇异终端滑模设计两阶段制导律.为削弱控制指令抖振、补偿干扰,设计模糊自适应系统,并通过Lyapunov理论证明了全系统状态的一致最终有界性与有限时间收敛性.仿真实验表明:该制导律使网络化弹药在打击机动形式不同的目标时,均具备较好的协同制导性能.     

基于二阶滑模的鲁棒最优末制导律设计

针对传统最优末制导律鲁棒性较差,对外扰及参数摄动敏感等不足,提出一种基于二阶滑模控制技术的鲁棒最优末制导律设计方案.首先以俯冲平面上的末制导律设计为例,设计二阶滑模控制以实现滑动模态及其导数在有限时间内收敛.然后考虑系统存在不满足匹配性条件的参数不确定性和外部扰动,利用基于自适应的super-twisting算法设计不连续项,以保证所设计的二阶滑模最优末制导律的连续性.最后基于Lyapunov的稳定性理论证明及仿真结果均表明,所设计的末制导方案具有很高的命中精度及较强的鲁棒性.     

飞行速度可调导弹三维制导律研究

为获得更好的制导性能,针对一类采用流量可调发动机的导弹,利用其所增加的飞行速度控制自由度,提出一种三维空间下比例导引+飞行速度控制的双重控制滑模制导律。以比例导引作为基础,在对二维、三维零控脱靶量分析的基础上,以零控脱靶量为跟踪目标选取合适的滑模面,并进一步使用辅助滑模面和有限时间超螺旋干扰观测器对滑模面中的不确定项进行估计,推导了减少脱靶量的速度控制制导律。仿真结果表明,相比于经典的比例导引,在考虑空气阻力的场景下,所设计的制导律脱靶量更小,弹道更平滑,滑模面收敛情况理想,实现了导弹飞行速度的主动控制。     

一种带时间协同和角度约束的多导弹三维协同制导律

针对多枚导弹在三维空间从不同初始位置同时拦截机动目标的问题,设计了一种带视线角约束的有限时间协同制导律.首先,给出三维空间的导弹–目标相对运动方程并建立了考虑视线角约束的多弹协同制导模型.其次,对视线纵向及法向方向分别设计了相应的协同制导律.其中在视线方向基于多智能体有限时间一致性理论设计了协同制导律,保证各拦截弹能够同时击中目标;基于一种新型的固定时间非奇异终端滑模控制方法设计了视线法向上的角度约束制导律,使各拦截弹的视线角能够在固定时间内收敛至期望值,实现空间上的协同;同时,构造了扩张状态观测器估计目标加速度.最后,对三枚导弹同时拦截同一机动目标的情况进行仿真对比,验证了本文所提出协同制导律的有效性.     

A three-dimensional robust nonlinear terminal guidance law with ISS finite-time convergence

This paper presents a novel three-dimensional nonlinear terminal guidance law with finite-time convergence for intercepting manoeuvring targets. Different from the usual method of decoupling the missile-target relative motion into two-dimensional planes, this law is designed via using the coupled dynamics. The guidance law is derived based on the theory of finite-time input-to-state stability (ISS), which needs no assumption of the linearisation and the estimation of target accelerations. Under this law, the line-of-sight angular rates can be stabilised to a small domain of convergence around zero in finite time. The convergence rate and convergence domain can be adjusted by changing the guidance parameters. First, a sufficient condition on finite-time ISS of the guidance system is given, and is subsequently used to design the guidance law. Finally, simulation results are provided to show that the proposed guidance law possesses fast convergence rate and strong robustness to target manoeuvres.     

Finite-time containment control of perturbed multi-agent systems based on sliding-mode control

Aimed at faster convergence rate, this paper investigates finite-time containment control problem for second-order multi-agent systems with norm-bounded non-linear perturbation. When topology between the followers are strongly connected, the nonsingular fast terminal sliding-mode error is defined, corresponding discontinuous control protocol is designed and the appropriate value range of control parameter is obtained by applying finite-time stability analysis, so that the followers converge to and move along the desired trajectories within the convex hull formed by the leaders in finite time. Furthermore, on the basis of the sliding-mode error defined, the corresponding distributed continuous control protocols are investigated with fast exponential reaching law and double exponential reaching law, so as to make the followers move to the small neighbourhoods of their desired locations and keep within the dynamic convex hull formed by the leaders in finite time to achieve practical finite-time containment control. Meanwhile, we develop the faster control scheme according to comparison of the convergence rate of these two different reaching laws. Simulation examples are given to verify the correctness of theoretical results.     

固定时间预测器下的欠驱动无人艇路径跟踪控制

无人艇是一类在水面自主移动的智能船艇, 具有无人自主, 航速高, 欠驱动的特点, 能应用到民用和军事的诸多领域. 针对欠驱动无人艇的路径跟踪问题, 本文在传统视线法制导律的基础上, 首次提出了一种新的固定时间收敛的预测器, 用于预测位置误差, 实现对干扰的估计和补偿. 与基于有限时间收敛的预测器的制导律相比, 固定时间预测器收敛时间不依赖于初始状态, 可以更快收敛. 此外, 为了保证跟踪控制器的有效收敛, 还设计了固定时间控制器, 将无人艇尾部的方向舵力矩作为控制器, 使无人艇航向角在固定时间收敛到期望艏向角. 最后通过仿真实验证明本文所提出的制导律和控制器能精确跟踪给定路径.     

基于加幂积分方法的制导控制一体化设计

针对高超声速飞行器纵向制导控制一体化设计问题展开研究.首先建立纵向制导与控制系统一体化设计模型;然后结合非线性干扰观测器与加幂积分方法设计制导与控制一体化算法,并借助相关基础理论证明级联系统是全局有限时间稳定的.所提出的方法可以使制导与控制系统协调配合,更充分地利用飞行器控制能力.通过与反步滑模制导控制一体化设计方法进行对比仿真,验证了该方法有效且更具优势,并通过模拟外扰及参数拉偏情况下的仿真验证了所提出方法亦具备较强的鲁棒性.     

The stochastic sliding mode variable structure guidance laws based on optimal control theory

A stochastic sliding-mode variable structure guidance law involving optimal control theory is presented for the missile target intercept model, in which state noise, uncertain system parameters, target movement and measured noise are considered. This guidance law synthesizes the merits of optimal guidance law with line-of-sight rate convergence and sliding-mode guidance law with strong robustness. Through theoretic analysis, it is proved that the sliding mode hyperplane is sub-achievable in the closed loop system. The numerical results show the effectiveness of the proposed control algorithm.     

无人机空中加油过程中分数阶滑模会合导引控制

针对带末端角度和末端速度约束的无人机空中加油自主会合问题,设计了一种3维分数阶滑模导引律,使无人机在无加油机主动配合的情况下具备自主会合能力.首先,根据无人机与加油机之间的相对运动关系,设计了3维比例导引规律,使无人机能够到达期望的加油位置.其次,利用滑模控制的强鲁棒性特点以及分数阶微积分的精细控制特性,基于变结构理论和李雅普诺夫稳定性理论设计了一种带有末端角度约束的3维分数阶滑模变结构控制律,并用所设计的分数阶滑模控制律对3维比例导引指令进行重构,使无人机能以期望的末端追踪角度到达加油位置.然后,构造了速度指令生成器,对无人机的末端速度进行约束.最后,对所设计的导引律进行了仿真验证,仿真结果表明所设计出来的导引律能满足追踪角度和速度约束的要求.     

Finite-time control with H-infinity constraints of linear time-invariant and time-varying systems

This paper presents finite-time control methods with H-infinity constraints for linear time-invariant (LTI) and time-varying (LTV) systems. The basic idea of the proposed approaches is to construct controllers for the LTI and LTV in such a way that a constant quadratic Lyapunov function and a time-varying quadratic Lyapunov function can be used to establish the finite-time stability and the H-infinity performance of the resulting closed-loop systems. It is shown that the control laws can be obtained by solving a set of linear matrix inequalities (LMIs) and Differential Riccati Inequalities (DRIs) that are numerically feasible with commercially available software. Finally, the results are illustrated by application to the design of guidance law for a class of terminal guidance system.