基于二阶滑模的BTT导弹反演滑模控制

针对具有非匹配不确定性的倾斜转弯(bank-to-turn, BTT)导弹非线性动力学模型,基于反演思想和二阶终端滑模控制方法,设计了一种新的BTT导弹反演滑模控制器。反演设计的每一步均采用滑模控制对不确定性进行补偿,并在最后一步设计中采用非奇异二阶终端滑模控制,既能防止抖振对舵机造成损坏,又减小了累积误差。采用精确微分器解决“计算膨胀”问题,并证明了跟踪误差最终有界。仿真结果表明,通过适当选取设计参数,跟踪误差将收敛到原点附近任意小的邻域内。     

基于干扰观测器的导引头稳定平台滑模控制

针对导引头稳定平台存在不确定弹体速度干扰以及非线性摩擦干扰的问题,结合滑模控制和非线性干扰观测器理论,提出一种基于非线性干扰观测器的二阶滑模控制方法。针对系统模型中的多个不确定干扰项,首先,采用新型微分跟踪器对状态量的导数值进行估计,进而得到干扰项的估计值,通过坐标变换,将系统中的不确定项进行归一化处理,便于控制器设计;其次,基于新型微分跟踪器设计了新型非线性干扰观测器,以实现对归一化后系统干扰项的精确估计;最后,采用二阶滑模控制算法进行控制器设计。仿真实验证明,新型非线性干扰观测器精度高、响应快,基于干扰观测器的二阶滑模控制方法能够有效隔离弹体扰动与非线性摩擦对导引头稳定平台的干扰,提高了稳定平台的鲁棒性和跟踪精度。     

飞行器自适应反推Terminal滑模轨迹跟踪控制

飞行器非线性动力学模型通常包含由未知外界干扰和未建模动态构成的非匹配不确定性。针对建立的飞行器纵向运动仿射非线性模型,提出了一种基于非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)的自适应反推非奇异终端滑模(adaptive backstepping nonsingular terminal sliding mode,AB-NTSM)轨迹跟踪控制方法。设计非线性干扰观测器对未知干扰进行观测补偿,无需干扰上界先验知识。设计未建模动态自适应律,提高控制器对系统不确定性的鲁棒性。对3种不同情况的仿真表明,干扰观测器能够实现对不同干扰精确观测,仅在干扰突变时有较大观测误差。在不确定性影响下,采用提出的控制方法,系统能够实现对指定轨迹的稳定跟踪,并有效消除控制信号的抖振。     

起竖系统建模及动态面自适应滑模控制

针对起竖系统存在非线性特性、参数不确定性以及环境干扰等问题,在起竖系统的起竖控制过程中,提出了一种动态面自适应滑模的控制策略。建立了起竖系统的非线性数学模型,在滑模控制器设计中,引入动态面控制,利用一阶积分滤波器来计算虚拟控制项的导数,使控制器设计简单,加入自适应控制算法,实现对不确定参数的在线估计,消除系统的不确定性,并给出了控制律和自适应律。仿真结果表明,与比例积分微分控制和一般滑模控制相比,所提控制方法有较强的鲁棒性和良好的跟踪性能,提高了起竖过程的稳定性。     

基于非线性干扰观测器的高超声速飞行器反演滑模控制

针对高超声速飞行器非线性动力学系统中存在的高度非线性、多变量耦合及参数不确定等特点,利用非线性干扰观测器对各种干扰的逼近特性,结合反演滑模控制,设计了一种飞行器反演滑模控制器。该方法首先利用干扰观测器观测出系统的干扰,未观测出的部分干扰使用反演滑模控制进行补偿,避免了累积误差,实现对制导指令的鲁棒输出跟踪,并证明了系统稳定性。仿真结果验证了该方法能较理想地观测干扰,保证系统良好的鲁棒性。     

基于NDO的飞机轨迹跟踪抗干扰控制律设计

针对飞机纵向欠驱动耦合动力学模型设计鲁棒轨迹跟踪滑模控制律。首先,通过引入虚拟状态变量进行状态变换实现模型控制解耦。其次,考虑由系统建模误差和大气干扰组成的复合不确定性,设计非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)进行观测补偿。然后,建立飞机极短距起降中攻角变化轨迹曲线,设计滑模控制律实现对虚拟状态变量和攻角轨迹指令的稳定跟踪。仿真结果表明,NDO可以实现对系统不确定性的精确观测和补偿,滑模控制律具有对系统建模误差和大气风切变的鲁棒性和抗干扰性。     

具有预设性能的近距离星间相对姿轨耦合控制

针对存在系统不确定性和外界干扰的接近绕飞阶段跟踪航天器相对目标航天器的姿态与轨道一体化控制任务,设计了一种具有预设性能的鲁棒反演控制器。该控制器能预先设计系统的稳态与暂态性能,保证相对姿轨跟踪误差满足预先设计的性能指标要求;为避免传统反演控制方法中存在的“微分膨胀”问题,引入滑模微分器对虚拟控制量的导数进行估计;同时利用自适应控制技术估计不确定模型参数及包含滑模微分器估计误差和外界干扰的集总干扰上界,并引入鲁棒补偿项处理这些不确定性带来的影响。理论分析证明所设计的控制方法能保证相对姿轨跟踪误差满足预设性能指标要求,仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。     

基于高增益滑模观测器的非线性系统执行器鲁棒故障检测

针对一类含有未知干扰的不确定仿射非线性系统,讨论了一种基于高增益滑模观测器的执行器鲁棒检测方法。首先采用全局微分同胚变换,将非线性系统变换为一完全能观规范型;然后基于变换后含有Lipschitz项的非线性系统,设计了高增益滑模观测器,给出了观测器增益计算方法,并运用Lyapunov稳定性理论证明了观测器状态偏差的收敛条件,设计了滑模控制项来抑制干扰,并求解证明了滑模运动的收敛条件,以使设计的观测器具有鲁棒性;最后,对某三阶非线性电机模型进行仿真研究,验证了所提方法的有效性。     

非完整移动机器人的自适应滑模轨迹跟踪控制

针对动力学模型描述的非完整移动机器人系统，研究了其在未知参数和不确定性干扰下的轨迹跟踪控制问题，基于反演技术和自适应滑模控制的思想设计了具有全局渐近稳定的轨迹跟踪控制律。谊控制律将系统分解为低阶子系统来处理，利用中间虚拟控制量和部分Lyapunov函数简化了控制器设计，并具有直观的稳定性分析．满足了移动机器人的轨迹跟踪要求，且具有设计方法简单、鲁棒性强的特点。仿真结果验证了所设计控制器的有效性和正确性。     

基于自抗扰的反步滑模制导控制一体化设计

针对导弹末制导段的制导控制问题,基于自抗扰控制和反演终端滑模控制,提出了一种导弹制导控制一体化设计算法。利用块严格反馈系统描述一体化模型,将存在的模型误差、目标机动等看做未知干扰。采用扩张状态观测器对系统不确定性和干扰进行估计和补偿。设计反步终端滑模控制方法实现导弹的姿态控制。仿真证明了设计的一体化算法可以获得较小的脱靶量,系统对存在的内外干扰和不确定性具有较强的鲁棒性。     

考虑滞回非线性的飞行姿态backstepping全局滑模控制

针对存在不确定性和滞回非线性的三代战机姿态稳定控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的backstepping全局滑模控制策略。利用非线性干扰观测器对系统不确定性和滞回非线性部分进行观测补偿,取消了不确定项变化缓慢的限制条件。借鉴动态面控制思想,引入一阶滤波器降低了backstepping控制器的复杂程度。利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性。仿真结果表明了该控制方案对不确定干扰的有效抑制和闭环系统良好的跟踪性能。     

临近空间高超声速飞行器匹配化滑模姿态控制

针对临近空间高超声速飞行器非匹配不确定性姿态控制问题,提出一种新型匹配化滑模姿态控制系统设计方法。首先将含有非匹配不确定性的模型进行匹配化变换,得到匹配的不确定性模型。采用扩张干扰观测器估计不确定项,用来补偿系统输出量的微分。其次,基于干扰观测器及频域滤波器设计了一种渐近收敛的复合微分器,用来获取系统输出的一阶导数。在此基础上,采用变结构控制方法,提出了一种匹配化滑模姿态控制方法。最后,通过数字仿真验证了该方法的有效性,并与反步法进行了对比,对比结果表明本文的方法具有更好的快速性及鲁棒性。     

基于反演滑模和扩张观测器的带角度约束制导律设计

针对水下动能武器末制导段攻击机动目标,为获得最佳的毁伤效果,结合反演滑模控制方法与线性扩张状态观测器理论,设计了一种带角度约束的非线性制导律。通过对攻击角度的分析,设计了非线性滑模面,并根据滑模面可达条件,将制导律分为两部分设计,既满足了系统能够到达滑模面,又保持了系统状态在滑模面上运动。通过反演变结构获得的制导律,既保证了系统稳定,又具有了滑模控制理论所具有的鲁棒性。考虑到目标机动,将目标机动作为未知扰动,并对该扰动采用线性扩张状态观测器进行估计。该制导律作用下,视线角变化率收敛到零,攻击角度收敛到期望值,实现攻击角度约束。理论证实了制导系统的稳定性,仿真验证了本文所设计制导律的有效性。     

非奇异快速终端二阶滑模有限时间制导律

为实现对高速机动目标的准平行拦截,考虑导弹自动驾驶仪动态特性,设计了一种零化视线角速率的非奇异快速终端二阶滑模有限时间制导律。首先,基于终端滑模控制理论和二阶滑模控制理论,设计了非奇异快速终端二阶滑模制导律;其次,根据有限时间收敛控制理论,严格证明了系统的稳定性和有限时间收敛特性;为抑制测量噪声和估计弹目视线角速率,设计了有限时间收敛微分跟踪器,并将其与扩张观测器结合来估计不确定项。最后仿真结果表明:所设计的微分器不仅收敛速度快,估计精度高,且具有较强的抗干扰能力,同时针对目标做不同的类型机动,所设计的制导律均能实现视线角速率在有限时间收敛,为实现对高速机动目标的直接碰撞提供必要条件。     

复合控制导弹反步滑模IGC自适应设计方法

针对直接力/气动力复合控制导弹,基于扩张状态观测器和反步终端滑模控制,提出一种制导与控制一体化设计方法。通过对系统不确定性进行观测,并设计自适应律补偿观测误差,实现系统对复合干扰的抑制。随后引入虚拟控制力矩的概念,规避了直接在控制器中求解控制量,基于梯度下降法和混合整数线性规划提出一种自适应控制分配策略,充分利用系统已有信息,解决控制量分配实时性要求和精度要求的矛盾。最后通过数值仿真证明,所提出的综合设计方法能够在系统存在内外扰动时,保证系统收敛且使得控制量减小,制导精度提高。     

基于DSC和MLP的欠驱动船舶自适应滑模轨迹跟踪控制

针对存在船舶动态不确定和外界干扰的欠驱动水面船舶轨迹跟踪控制问题,提出一种基于动态面控制(dynamic surface control,DSC)和最小学习参数法(minimal learning parameter,MLP)的自适应滑模控制方法。在控制律的设计过程中,为实现位置跟踪误差的收敛,利用反步法设计船舶前向速度和横漂速度的虚拟控制律镇定轨迹跟踪误差;引入DSC技术,用于消除反步法对虚拟控制求导引起的“微分爆炸”问题;另外,采用MLP技术,以单参数在线学习代替所有权值在线学习,减少控制器的计算量,避免出现“维数灾难”问题,并结合带有“σ-修正”的自适应律,防止参数漂移,易于工程的实现。稳定性分析证明了所设计控制律可以保证轨迹跟踪船舶闭环系统中轨迹跟踪误差信号一致最终有界,仿真结果验证了所设计控制器的有效性。     

基于无尖峰干扰观测器的滑模制导律

为了提高对机动目标的拦截效果,提出了一种基于无尖峰干扰观测器的滑模制导律(peaking free disturbance observer based sliding mode guidance law, PDOB SMG)。 首先,设计一种无尖峰干扰观测器(peaking free disturbance observer, PDOB)来估计目标机动加速度,在保证估计精度的同时,PDOB能够消除传统干扰观测器的初始尖峰现象。其次,将PDOB所估计的目标机动加速度用来在线补偿,构造了PDOB SMG。由于PDOB消除了初始尖峰,因此设计的PDOB SMG可以有效解决现有基于干扰观测器的滑模制导律(disturbance observer based sliding mode guidance law, DO SMG)受干扰观测器初始尖峰影响动态性能恶化的问题。最后,将PDOB SMG与DO SMG进行仿真对比, 验证了PDOB SMG的有效性和优越性。     

输入非仿射不确定系统的跟踪控制

针对一类不确定性输入非仿射的混沌系统,结合模糊逻辑系统、非线性跟踪微分器以及扩展状态观测器,利用反演技术设计了一种新的控制器。该设计中,扩展状态观测器用来估计系统中的未知项及扰动项;模糊逻辑系统用来逼近扩展状态器不能很好处理的未知项,并且设计了误差补偿项;非线性跟踪微分器用来逼近虚拟控制量的导数;然后利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环误差信号将渐进收敛到原点的残集内。对具有扰动和不确定性的输入非仿射混沌系统进行了仿真,同时针对一类非严格反馈系统进行了仿真,结果表明了该方法的可行性和有效性。     

基于NDO的飞行模拟转台伺服系统跟踪控制

针对飞行模拟转台伺服系统跟踪控制问题,提出了一种基于非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)的反推全局滑模控制方案。该方案利用NDO观测系统的参数不确定性及非线性摩擦干扰,通过选择适当的设计参数使观测误差指数收敛,进而对引入NDO的系统采用反推全局滑模设计控制器,控制律的设计保证了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方案能够有效克服参数不确定性及非线性摩擦干扰的影响,实现了转角位置的精确跟踪,并且有效去除了控制抖振。