Integrated guidance and control design of the suicide UCAV for terminal attack

A novel integrated guidance and control (IGC) design method is proposed to solve problems of low control accuracy for a suicide unmanned combat aerial vehicle (UCAV) in the terminal attack stage. First of all, the IGC system model of the UCAV is built based on the three-channel independent design idea, which reduces the difficulties of designing the controller. Then, IGC control laws are designed using the trajectory linearization control (TLC). A nonlinear disturbance observer (NDO) is introduced to the IGC controller to reject various uncertainties, such as the aerodynamic parameter perturbation and the measurement error interference. The stability of the closed-loop system is proven by using the Lyapunov theorem. The performance of the proposed IGC design method is verified in a terminal attack mission of the suicide UCAV. Finally, simulation results demonstrate the superiority and effectiveness in the aspects of guidance accuracy and system robustness.

Fast integrated guidance and control with global convergence

A global fast convergent integrated guidance and control design approach is proposed. A disturbance observer is utilized to estimate the uncertainties of integrated guidance and control model in finite time. According to the multiple sliding-mode surface control, the independent nonsingular terminal sliding functions are presented in each step, and all the sliding-mode surfaces run parallel. These presented sliding-mode surfaces keep zero value from a certain time, and the system states converge quickly in sliding phase. Therefore, the system response speed is increased. The proposed method offers the global convergent time analytically, which is useful to optimize the transient performance of system. Simulation results are used to verify the proposed method.

Integrated guidance and control design method based on finite-time state observer

A composited integrated guidance and control(IGC) algorithm is presented to tackle the problem of the IGC design in the dive phase for the bank-to-turn(BTT) vehicle with the inaccuracy information of the line-of-sight(LOS) rate. For the sake of theoretical derivation, an IGC model in the pitch plane is established. The high-order finite-time state observer(FTSO), with the LOS angle as the single input, is employed to reconstruct the states of the system online. Besides, a composited IGC algorithm is presented via the fusion of back-stepping and dynamic inverse. Compared with the traditional IGC algorithm, the proposed composited IGC method can attenuate effectively the design conservation of the flight control system, while the LOS rate is mixed with noise. Extensive experiments have been performed to demonstrate that the proposed approach is globally finite-time stable and strongly robust against parameter uncertainty.

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。

Impact angle constrained fuzzy adaptive fault tolerant IGC method for Ski-to-Turn missiles with unsteady aerodynamics and multiple disturbances

An impact angle constrained fuzzy adaptive fault tolerant integrated guidance and control method for Ski-to-Turn(STT)missiles subject to unsteady aerodynamics and multiple disturbances is proposed.Unsteady aerodynamics appears when flight vehicles are in a transonic state or confronted with unstable airflow.Meanwhile,actuator failures and multisource model uncertainties are introduced.However,the boundaries of these multisource uncertainties are assumed unknown.The target is assumed to execute high maneuver movement which is unknown to the missile.Furthermore,impact angle constraint puts forward higher requirements for the interception accuracy of the integrated guidance and control(IGC)method.The impact angle constraint and the precise interception are established as the object of the IGC method.Then,the boundaries of the lumped disturbances are estimated,and several fuzzy logic systems are introduced to compensate the unknown nonlinearities and uncertainties.Next,a series of adaptive laws are developed so that the undesirable effects arising from unsteady aerodynamics,actuator failures and unknown uncertainties could be suppressed.Consequently,an impact angle constrained fuzzy adaptive fault tolerant IGC method with three loops is constructed and a perfect hit-to-kill interception with specified impact angle can be implemented.Eventually,the numerical simulations are conducted to verify the effectiveness and superiority of the proposed method.

部分约束下空中目标拦截制导控制一体化方法

针对拦截空中目标的场景,提出一种考虑攻击角度的制导控制一体化(integrated guidance and control,IGC)方法,同时考虑输入饱和以及攻角的约束问题。首先,在俯仰平面下对包含不确定性的系统进行了建模。基于反演法和指令滤波器,处理了攻击角度约束问题和执行器机械限制的输入饱和问题,设计了含误差积分反馈的补偿项以处理跟踪误差,引入了障碍Lyapunov函数将攻角约束在预设区间。基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性和变量的有界性,以及各约束条件的成立性。仿真实验表明,方法能够以预设角度有效拦截目标,过程满足对输入以及攻角的约束条件,同时具备较强的鲁棒性。

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。

拦截大机动目标的三维制导控制一体化设计

针对大机动目标拦截过程中目标加速度未知的问题,提出一种结合有限时间收敛扩张状态观测器与自适应动态面控制的复合三维制导控制一体化设计方法。首先,建立基于弹目视线坐标系下的三维全耦合六自由度侧滑转弯导弹的制导控制一体化模型,减少了假设条件;采用动态面方法,避免传统反步法设计中的"计算膨胀"问题,引入有限时间收敛的扩张状态观测器来在线估计并补偿包括目标加速度在内的不确定性,同时结合自适应鲁棒控制策略,对新型扩张状态观测器的观测误差进行补偿,有效地提高了对大机动目标的拦截精度。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。导弹六自由度全状态模型的拦截仿真证明了设计方案的有效性。

导弹积分反步制导控制一体化设计

制导控制一体化设计响应快、时延小,能充分考虑制导与控制间的耦合关系,但具有对象模型阶数高、鲁棒性差等特点.借用PI控制思想,将积分控制引入反步控制,设计基于积分反步方法的制导控制一体化算法,增强系统的抗干扰能力,实现对零视线角速率指令的高精度跟踪;通过构造高阶滑模微分器,观测反步控制中所需的视线角高阶微分信息,同时保证观测值对于真值的收敛速度和精度;设计基于浸入与不变的估计器估计目标机动信息,消除目标机动在拦截目标时对脱靶量的影响.仿真结果表明所设计的制导控制一体化算法可以实现导弹对目标的碰撞拦截,抑制目标机动带来的不利干扰,提高系统的鲁棒性.

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。

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。

驾束制导导弹一体化制导控制系统设计

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系统设计方法。通过联立制导回路与弹体动力学方程,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控制系统。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,从而验证了该一体化设计方法的有效性。通过与传统制导控制分开设计法作仿真比较,证明了该方法的优越性。

基于轨迹线性化的鲁棒制导控制一体化设计

针对无人作战飞机末端攻击制导控制一体化设计问题进行研究。建立一体化制导与控制系统模型,在此基础上采用轨迹线性化控制方法设计一体化控制律,为处理系统中存在的气动参数摄动、测量误差干扰和目标机动等大量不确定性,采用非线性干扰观测器技术对不确定性进行估计并加以补偿,并基于Lyapunov原理证明所设计方法的稳定性。仿真结果表明:所设计的制导控制一体化方法有效地提高控制精度,并保证良好的鲁棒性。

BTT导弹三维制导控制一体化建模与仿真

针对带有一定机动能力的飞行目标,结合弹目运动关系与导弹自身的动力学特性,给出了倾斜转弯(BTT)拦截导弹的俯仰、滚转、航向三通道独立制导控制一体化(IGC)设计。首先分别建立三通道数学模型,并给出了指令信号的计算形式,随后设计了基于动态面的IGC反步控制算法,最后在三维空间下进行目标拦截仿真验证。仿真结果表明,所建立的三通道模型能够充分描述目标与导弹之间的运动关系,设计的算法能够实现导弹对目标的精确拦截,且具有一定的抗机动能力。

高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化设计

针对故障下高超声速飞行器安全再入飞行问题,考虑控制系统存在各种不确定性参数、干扰和力矩故障,进行高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化(Integrated guidance and control,IGC)设计。首先,针对分离通道的制导与控制(Separate channel integrated guidance and control,SCIGC)模型设计无法同时协调制导和控制系统容错能力的问题,考虑制导环和姿态环之间关系并建立制导控制一体化模型;然后,针对一体化模型设计自适应滑模Backstepping容错控制器,并采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型在线逼近由未知参数和加性故障引起的复合干扰项;最后,基于Lyapunov稳定性定理设计参数自适应律在线更新容错控制器,同时引入投影算子防止参数漂移以保证参数处于合理区间,从而完成自适应容错制导控制一体化方案设计。在飞行器故障条件下,通过IGC与SCIGC控制策略的仿真对比,验证了自适应容错IGC控制策略的有效性和优越性。

超声速巡航弹俯冲攻击制导控制一体化设计

研究巡航导弹俯冲优化控制问题,针对超声速巡航导弹俯冲攻击要求,为了使战斗部发挥最大毁伤效果,运用变结构控制理论,设计了导弹纵向平面一体化制导控制系统。联立弹目相对运动方程和导弹弹体动力学方程,建立了导弹控制模型。选用零控脱靶量滑模切换面,并将目标机动考虑成有界扰动,使控制具有较强的自适应性和对目标机动性。数值仿真表明,设计的一体化制导控制系统能满足俯冲攻击的脱靶量和落角的要求,验证了方法有效。与传统的制导控制分开设计比较,采用所提出的一体化制导控制系统末段状态的变化更平缓,能获得更小的脱靶量,具有机动攻击目标的能力,并满足设计的要求。

Integrated guidance and control with input saturation and disturbance observer

In presence of input saturation,a novel integrated guidance and control(IGC)law based on the backstepping technique is proposed for missiles attacking manoeuvring target in this paper.A modified saturation function and an auxiliary system are proposed to deal with the input saturation.The state of the auxiliary system is used in the IGC law design process and stability analysis.Considering the uncertainties caused by target manoeuvres,model errors and variation of the aerodynamic parameters,disturbance observers which converge in finite time are introduced to estimate and compensate them.Based on the Lyapunov theory,the detailed stability analysis of the closedloop system is presented.The non-linear numerical simulations are presented to illustrate the effectiveness of the proposed IGC law.

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ADP的导引控制一体化全状态受限反演控制

针对导引控制一体化设计中状态受限及非线性最优问题,提出了一种结合反演控制与自适应动态规划(ADP)技术,考虑全状态受限的新型导引控制一体化设计方法.首先,将状态受限的严格反馈系统通过坐标变换转化为非状态受限系统.然后,采用前馈反演控制与反馈最优控制相结合的设计思路,利用ADP技术在线求解非线性HJB方程得到最优解.最后通过李亚普诺夫理论证明了系统的闭环稳定性与所有信号的一致有界性.与传统方法的对比仿真验证了该设计方法的可行性与优越性.