速度不可控条件下的多弹编队协同控制方法

在导弹速度不可控的前提下,提出了一种基于滑模变结构控制理论和自适应动态面控制理论的多弹编队飞行控制器设计方法。在惯性系下对编队模型进行描述,即根据领弹和从弹在惯性系下的相对位置,求得领弹和从弹间的相对位置与期望相对位置的跟踪误差模型;为了得到编队控制系统在弹道坐标系下的表达式,将导弹在弹道坐标系下的俯仰和偏航通道加速度转换到惯性坐标系下,结合领弹和从弹的相对位置与期望相对位置的跟踪误差模型,经过化简得到无需进行速度控制的编队控制系统的具体模型,并且采用滑模变结构控制理论和自适应动态面控制理论分别对领弹和从弹进行编队控制器设计,利用Lyapunov稳定性理论分析了所提控制器的稳定性;领弹和从弹均采用设计好的编队控制器进行参数仿真,结果验证了新方法的可行性和有效性。     

主-从式多弹头协同攻击建模及输出一致性

随着反导系统拦截概率与拦截效率越来越高,单枚弹道导弹突破反导系统实现打击任务的概率在逐渐降低,多弹道导弹协同攻击应运而生.自由飞行段的多弹道导弹易于实现协同攻击,导弹在此阶段也称为弹头.为解决多弹道导弹自由飞行段多弹头协同攻击的建模及输出一致性问题,考虑多弹头协同攻击要求及特点,首先建立了多弹头自由飞行段三维空间运动非线性状态空间模型,详细分析了该模型的特点以及模型非线性动态对多弹头协同攻击带来的挑战.针对上述挑战,为实现主-从式多弹头协同攻击体系的输出一致性,应用输入输出反馈线性化控制方法,设计了一类从弹弹头协同加速度指令信号,并通过详实的数值仿真验证所设计指令信号的有效性.仿真结果表明,沿主弹弹头发射坐标系各轴向均实现了给定性能要求下的主-从式多弹头协同攻击体系的输出一致性,主弹弹头速度变化越快、收敛系数的实部模值越大,速度跟踪误差收敛速度便越快,速度跟踪误差也越小,输出一致性的性能也更好.     

攻击时间和攻击角度控制的非奇异终端滑模制导律

为提高导弹的突防能力并增强毁伤效果,对导弹攻击时间和攻击角度控制问题进行了研究,以导弹和目标相对运动模型为基础,提出了一种非奇异滑模导引律.利用成型理论设计了以时间多项式描述的、同时满足攻击时间和攻击角度约束的导弹视线角表达式.采用优化方法确定表达式系数.由于非奇异终端滑模理论具有使滑模面能够在有限时间内快速收敛的特点,故利用该理论构造关于视线角误差的滑模面,设计了一种无奇点的攻击时间和攻击角度控制制导律.该制导律可使导弹的实际视线角按照设计的理想视线角变化,使导弹满足攻击时间和攻击角度的双重约束.通过理论分析,证明了该制导律满足Lyapunov稳定性条件,能够实现攻击时间和攻击角度控制且不存在奇点.在多种情形下对所设计制导律进行了数值仿真.仿真结果表明,采用该制导律可在不同条件下有效实现导弹的攻击时间与攻击角度控制,与现有文献相比具有一定优势,当存在一定程度的外界干扰时仍能完成攻击时间和攻击角度控制.     

攻击时间控制的动态逆三维制导律

为使导弹按照指定的攻击时间攻击目标,在俯仰通道采用增广比例导引,而在偏航通道采用机动控制,该机动控制的作用为调整导弹的攻击时间使其趋于标称值.用剩余时间误差来表示当前剩余时间和标称剩余时间的差值,这里的当前剩余时间按照当前时刻弹目距离与速度的比值来计算.由弹目相对运动关系可知,偏航通道的控制量通过前置角间接控制当前时刻的弹目距离,因此,该控制量通过前置角间接控制剩余时间误差.对此控制系统,采用时标分离的方法设计了期望的慢子系统和快子系统,对这两个子系统分别进行动态逆控制设计,得到了导弹偏航通道的机动控制指令.仿真结果表明,这种制导方法最终使剩余时间误差趋于0,实现了导弹的攻击时间控制,并在导引后期能够获得直线弹道.     

多刚体滑模姿态协调控制

本文研究了多刚体分布式姿态协调控制问题．基于图论和滑模控制理论,针对修正罗德里格参数描述的姿态跟踪控制系统,设计了滑模姿态协调控制律．首先引入图拉普拉斯矩阵,采用Lyapunov稳定性分析方法设计了滑模面．然后在干扰存在时设计了滑模姿态控制算法,并在转动惯量不确定存在时研究了控制算法的鲁棒性．最后对给出的算法进行了数值仿真,其结果验证了所提出的多刚体滑模姿态协调控制算法的可行的、有效的．     

多约束导引控制一体化的自适应鲁棒滑模设计方法

在攻击机动目标的末制导段, 为使舰炮制导炮弹能够同时满足攻击角、视线角速率测量受限、执行器控制饱和等多项约束, 基于自适应鲁棒控制与动态面滑模设计了一种导引控制一体化设计方法. 首先, 在纵平面内, 建立了弹体的导引控制一体化设计模型. 然后, 设计扩张状态观测器迅速准确地估计出视线角速率与目标机动等未知干扰. 其次, 运用自适应指数趋近律设计了非奇异终端滑模, 以确保视线角跟踪误差与视线角速率在有限时间内收敛至零. 进而, 结合自适应鲁棒项构造动态面滑模与虚拟控制量用以镇定串级系统并削弱变结构项的抖振. 进一步地, 通过设计自适应Nussbaum增益函数, 较好地补偿了由舵机偏转受限引入的控制饱和非线性问题. 运用Lyapunov稳定性理论严谨地证明了终端视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性, 以及系统的一致最终有界性. 仿真实验表明, 所提出的设计方法能够使舰炮制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时, 均具备较好的导引控制性能.     

具有时延和干扰约束的多无人机滑模一致性编队控制研究

针对三维环境下的多无人机(UAVs)系统,在同时存在时延和干扰约束的情况下,提出了一种基于一致性的滑模编队控制算法,首先在考虑时延的基础上设计合适的一致性算法,其次利用滑模控制(SMC)方法解决编队系统中的轨迹跟踪和控制问题,并保证系统对于外部扰动的鲁棒性。仿真结果表明:在同时考虑编队过程中的时延和干扰约束的情况下,所提出的控制算法能够保持期望的编队队形。     

基于滑模方法的空空导弹一体化制导控制律设计

对于目标任意机动的三维拦截情况,空空导弹一体化制导控制系统模型呈现非线性、耦合和不确定特性,使控制器设计困难。为此,首先对导弹非线性耦合控制系统模型进行简化,得到三通道近似线性化模型,同时认为通道间的耦合项未知有界。在此基础上,推导俯仰和偏航通道的一体化制导控制系统模型。之后考虑干扰的不确定性,利用滑模控制响应快速、对参数变化及扰动不敏感等优点,设计了空空导弹一体化滑模自适应制导控制律,并基于Lyapunov理论证明了其稳定性。数值仿真结果表明,目标任意机动情况下,该一体化制导控制律不仅能够保证导弹命中精度,而且可同时保证弹体姿态的稳定,相对于传统方法,该方法有更好的拦截效果。     

一种有攻击角约束的三维有限时间导引律

为解决目标加速度信息未知且存在攻击角约束的三维末端制导问题,提出一种基于非线性观测器的有限时间导引律,使得弹目视线角可在有限时间内收敛至期望攻击角.首先,提出一类非线性观测器,利用导引系统中易测量的位置和速度等信息来估计目标加速度,理论分析给出了观测器稳定的充分条件;然后,利用目标加速度估计值,基于有限时间稳定理论和滑模变结构控制理论设计一种有限时间导引控制律,使三维末端导引系统的弹目视线角可以在有限时间内收敛到期望攻击角.通过分析观测误差对导引系统有限时间特性的影响,表明该方法满足工程实践需求;最后,分别对加速度为匀变速和变加速的两类变速目标进行了数值仿真,并与传统比例导引法进行了对比,仿真结果验证了所提方法的可行性与有效性.研究表明,利用非线性观测器可以稳定地估计目标加速度信息,进而利用该观测器给出的目标加速度信息设计滑模变结构有限时间三维导引律,利用该方法可以有效地解决三维末端制导过程中存在目标加速度信息未知且存在攻击角约束的难题.     

复合控制拦截弹的神经网络姿态控制

为了有效地调整复合控制拦截弹的姿态运动,提出了一个姿态控制方法。首先基于动量矩定理建立了拦截弹姿态运动的数学模型,然后针对数学模型和推力器点火逻辑的特点,设计了拦截弹姿态运动系统的神经网络控制器。使用常规方法获取基本的控制器,通过神经网络对常规控制器的控制参数进行调节,最后利用最优原理求出了拦截弹期望的俯仰控制力矩和偏航控制力矩。仿真结果表明,该姿态控制方法能够有效地实现拦截弹的精确姿态控制,并且具有较好的动态性能。     

航天器姿态跟踪有限时间自适应积分滑模控制

针对刚体航天器存在模型参数不确定性和外界干扰情况下的姿态跟踪控制问题,该文提出了一种有限时间自适应积分滑模控制方法。建立了用四元数表示的航天器姿态跟踪数学模型;在不考虑参数不确定性和干扰的情况下,基于非线性系统齐次性方法设计了一种有限时间控制算法,保证航天器姿态在有限时间内跟踪上期望姿态;当扰动存在时,为提高闭环系统的鲁棒性,结合有限时间控制和滑模控制,将有限时间控制算法应用到滑模面的设计中,设计出一种有限时间积分滑模面;最后用自适应方法设计了动态滑模切换函数增益。理论分析表明该方法兼具有限时间控制和滑模控制的优点,可使闭环系统状态有限时间收敛并具有很好的鲁棒性。仿真结果说明了该方法的有效性。     

基于扩张干扰观测器的再入飞行器终端滑模控制

针对再入滑翔飞行器存在时变非匹配不确定干扰的问题,设计了一种非线性扩张干扰观测器和新型双回路非奇异终端滑模控制律。首先将观测器状态变量扩张为干扰及其变化速率的估计值,再基于Lyapunov稳定性定理设计新型非线性干扰观测器;将再入飞行器系统方程分为姿态角外回路和姿态角速率内回路,分别设计具有干扰补偿作用的新型滑模面,以及能够有限时间收敛的非奇异终端滑模控制律。仿真结果表明,该方法可将传统非线性干扰观测器的估计精度提高约4%,控制系统跟踪误差得到明显降低,具有良好的动态特性。     

永磁同步电机调速系统的分数阶积分滑模控制

为了提高永磁同步电机(PMSM)调速系统对负载扰动及参数变化的鲁棒性,采用速度误差的分数阶微积分,设计了非线性积分滑模面,并提出一种基于分数阶积分滑模控制算法(FOISMC)的PMSM速度控制系统。通过Lyapunov定理证明了所设计的控制器的稳定性,并对该控制器进行了性能分析。理论分析和数值仿真结果表明:所提方法比整数阶积分滑模控制以及常规PI控制具有更好的动态性能和抗扰动能力,以及更高的速度跟随精度。     

多Euler-Lagrange系统抑制抖振分布式有限时间包含控制

为了抑制多Euler-Lagrange系统分布式包含控制时控制输出的抖振现象,且实现系统的有限时间收敛,对多EulerLagrange系统的抑制抖振分布式有限时间包含控制方法进行了研究.在系统存在模型不确定性与外界干扰的情形下,采用有限时间滑模控制方法,结合系统的模型特点,提出了分布式有限时间包含控制算法.首先,通过定义包含控制误差变量和选取合适的高阶有限时间滑模变量,设计了一种分布式有限时间包含控制律.为了实现控制器输出的抑制抖振特性,将符号函数项包含在控制律的导数中,经过积分后,可以得到连续的控制输出.针对系统存在的模型不确定性和外界干扰,设计了自适应估计律对其上界进行估计和补偿.基于图论和矩阵理论,利用Lyapunov方法证明了系统能够在有限时间内稳定,且模型不确定性和外界干扰的估计是有效的.最后,选取多机械臂系统作为模型进行了仿真验证.结果表明,所提控制算法对滑模控制中因不连续的切换项产生的抖振现象有很好的抑制作用,且系统可以在有限时间内实现收敛.     

基于有限时间一致的靶机协同中制导律设计

针对多靶机集群供靶的协同中制导问题，设计了一种带视线角约束的有限时间协同中制导律。建立靶机-目标的相对运动方程及考虑视线角约束的多靶机协同制导模型。对视线方向及法向分别设计了相应协同制导律。在视线方向基于多智能体一致性理论设计了固定时间协同制导律，通过引入速度维度确保各靶机能够同时到达；基于有限时间可变系数滑模控制方法设计了视线法向上的角度约束制导律，使各靶机视线角能在有限时间收敛至期望值且在接近终点时有一定机动能力，并通过Lyapunov稳定性理论证明系统的收敛性。仿真结果表明，所设计的协同中制导律可使各靶机以较小的脱靶量同时到达虚拟目标且满足视线角约束，验证了其有效性。     

基于动态逆的质量矩拦截弹模糊滑模控制

质量矩控制可以避免飞行器在超高马赫数飞行时的舵面气动加热问题,本文建立了质量矩拦截弹数学模型,将其简化为一个耦合的非线性动力学系统.应用双时标分解的方法,提出将拦截弹动力学分离为快变状态动力学和慢变状态动力学,在快变和慢变子系统中应用滑模控制理论设计拦截弹飞行控制系统,采用模糊逻辑算法抑制系统的抖振现象,同时也可以抑制气动参数摄动而引起的控制系统性能的下降.仿真结果表明系统性能指标满足设计要求,只需微调滑块位置,即可实现拦截弹的飞行控制,提高了拦截弹的机动性和敏捷性.     

基于滑模状态观测器的两自由度磁悬浮球控制

首先分析了磁悬浮球绕组磁力线扭曲特性,构建了含轴向和水平两自由度的磁悬浮球运动模型,采用模型转换,将系统中的匹配性和非匹配性干扰统一重构为匹配性干扰,建立新的系统状态空间方程;其次,针对悬浮气隙中气隙速度与加速度难以获取、干扰实时性观测困难的问题,提出了含干扰重构的气隙速度、加速度滑模观测器,并基于此观测器设计了滑模跟踪控制器;最后搭建含干扰重构的滑模状态观测和跟踪协同控制仿真平台,结果表明所提控制策略在动态响应速度、跟踪误差和抗干扰能力性能方面优于传统PID控制.     

适用于非线性主动悬架滑模控制的线性干扰观测器

基于参考天棚模型主动悬架中存在力的非线性特性、参数不确定以及执行器非理想性等问题,为了削弱这些问题对控制效果的影响,提出一种用于估计非线性参量以及参数不确定、非理想执行器所引起的不确定量的线性干扰观测器,结合滑模控制建立了带有干扰观测器的控制系统;分析了天棚阻尼系数和不确定量对主动悬架控制效果的影响,给出了最优天棚阻尼的选取方法,验证了干扰观测器的有效性;最后,仿真模拟了所提出的控制算法在凸块以及C级路面行驶工况下的控制效果,结果显示:相比于传统没有观测器的基于参考天棚模型的滑模控制,所设计的含有观测器的基于参考天棚模型滑模控制算法在舒适性、稳定性以及安全性方面都有所提升。     

基于耦合滑模面的机械臂操作柔性负载系统分布参数控制

针对多变量刚柔耦合的机械臂操作柔性负载系统,提出了一种自适应滑模控制方法,研究了系统存在参数不确定性和外部干扰影响下的位置控制和振动抑制问题。系统动态特性由偏微分方程表示的分布参数模型来描述,避免了集中参数模型导致的溢出问题。基于对柔性负载的能量动态分析,设计了一种自适应滑模控制器,其中滑模面定义为关节角误差、关节角速度误差和柔性负载的根部应变和剪切力的耦合。利用LaSalle不变性原理,证明了闭环系统的渐近稳定性。最后仿真验证了所设计控制方法的有效性。     

虚假数据注入攻击下基于扩张观测器的滑模控制研究

针对虚假数据注入(FDI)攻击下的信息物理系统(CPS),研究了一种基于滑模和扩张观测器的控制方法.首先对系统进行动态线性化,构造了扩张观测器并对观测误差的收敛条件进行了分析.其次,设计了积分滑模面,通过线性矩阵不等式的形式导出滑动模态系统的渐近稳定判据,求出了系统满足L₂ 增益性能的滑模向量.接着,基于指数趋近律,提出了用来消除量化误差和广义干扰的自适应积分滑模控制器,以使系统能到达滑模面.该方法估计精度高、响应速度快,对FDI攻击和量化参数失配具有较强的鲁棒性.最后,数值仿真验证了该方法的有效性.