Robust missile autopilot design based on dynamic surface control

Since the dynamical system and control system of the missile are typically nonlinear, an effective acceleration tracking autopilot is designed using the dynamic surface control(DSC)technique in order to make the missile control system more robust despite the uncertainty of the dynamical parameters and the presence of disturbances. Firstly, the nonlinear mathematical model of the tail-controlled missile is decomposed into slow acceleration dynamics and fast pitch rate dynamics based on the naturally existing time scale separation. Secondly, the controller based on DSC is designed after obtaining the linear dynamics characteristics of the slow and fast subsystems. An extended state observer is used to detect the uncertainty of the system state variables and aerodynamic parameters to achieve the compensation of the control law. The closed-loop stability of the controller is derived and rigorously analyzed. Finally, the effectiveness and robustness of the design is verified by Monte Carlo simulation considering different initial conditions and parameter uptake. Simulation results illustrate that the missile autopilot based DSC controller achieves better performance and robustness than the other two well-known autopilots.The method proposed in this paper is applied to the design of a missile autopilot, and the results show that the acceleration tracking autopilot based on the DSC controller can ensure accurate tracking of the required commands and has better performance.

Observer-based Guidance Law Accounting for Second-order Dynamics of Missile Autopilots

Accounting for the missile autopilot as second-order dynamics, an observer-based guidance law is designed based on the dynamic surface control method. Some first-order low-pass filters are introduced into the design process to avoid the occurrence of high-order derivatives of the line of sight angle in the expression of guidance law such that it can be implemented in practical applications. The proposed guidance law is effective in compensating the bad influence of the autopilot lag on guidance accuracy. In the simulations of intercepting non maneuvering targets, targets with step acceleration, and targets with sinusoidal acceleration respectively, the guidance law is compared with the adaptive sliding mode guidance law in the presence of missile autopilot lag. The simulation results show that the proposed guidance law is able to guide a missile to accurately intercept a maneuvering target, even if it escapes in a great and fast maneuver and the autopilot has a relatively large lag.

BTT autopilot design for agile missiles with aerodynamic uncertainty

The approach to the synthesis of autopilot with aerody- namic uncertainty is investigated in order to achieve large maneu- verability of agile missiles. The dynamics of the agile missile with reaction-jet control system （RCS） are presented. Subsequently, the cascade control scheme based on the bank-to-turn （B-I-T） steering technique is described. To address the aerodynamic un- certainties encountered by the control system, the active distur- bance rejection control （ADRC） method is introduced in the autopi- lot design. Furthermore, a compound controller, using extended state observer （ESO） to online estimate system uncertainties and calculate derivative of command signals, is designed based on dynamic surface control （DSC）. Nonlinear simulation results show the feasibility of the proposed approach and validate the robust- ness of the controller with severe unmodeled dynamics.

Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot

A novel integrated guidance and autopilot design method is proposed for homing missiles based on the adaptive block dynamic surface control approach. The fully integrated guidance and autopilot model is established by combining the nonlinear missile dynamics with the nonlinear dynamics describing the pursuit situation of a missile and a target in the three-dimensional space. The integrated guidance and autopilot design problem is further converted to a state regulation problem of a time-varying nonlinear system with matched and unmatched uncertainties. A new and simple adaptive block dynamic surface control algorithm is proposed to address such a state regulation problem. The stability of the closed-loop system is proven based on the Lyapunov theory. The six degrees of freedom （6DOF） nonlinear numerical simulation results show that the proposed integrated guidance and autopilot algorithm can ensure the accuracy of target interception and the robust stability of the closed-loop system with respect to the uncertainties in the missile dynamics.

考虑导弹自动驾驶仪动态特性的新型制导律

针对拦截空中飞行目标需要满足零脱靶量和攻击角约束提高导弹制导性能等问题,首先,利用考虑噪声干扰的扩张状态观测器对目标加速度进行估计,其次,改进一种非奇异终端滑模面,将自动驾驶仪视为理想环节,然后,基于终端滑模控制理论和有限时间收敛理论推导一种滑模制导律,最后,考虑自动驾驶仪二阶动态特性,将得到的滑模制导律结合动态面控制法提出一种新型制导律。分别以不同的攻击角对机动飞行和匀速飞行的目标进行拦截,大量仿真表明,所提制导律具有良好的制导性能,能够保证导弹在零脱靶量击中目标的同时达到期望攻击角。

考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性的导引律

基于平面内目标-导弹相对运动方程,考虑导弹自动驾驶仪的二阶动态特性,应用动态面控制方法设计了一种新型导引律。在设计过程中,通过引入一阶低通滤波器,使得导引律的最终表达式中不含视线角速率的高阶导数,更易于实际应用。该导引律有效地克服了导弹控制系统的动态延迟对制导精度的影响。将该导引规律与未考虑导弹自动驾驶仪动态的自适应滑模导引律相比较,对目标非机动、阶跃机动和正弦机动三种情况进行仿真。仿真结果表明,在目标机动加速度快速变化,而且导弹自动驾驶仪存在较大滞后情况下,这种导引律仍具有很高的制导精度。

基于BiSAR制导的战斗机最优引导律及导弹最优制导律设计

针对半主动自寻的合成孔径雷达制导导弹发射后,战斗机、导弹的运动状态如何同时满足成像分辨率和脱靶量要求的问题,提出一种基于逆最优控制方法的战斗机引导律和导弹制导律。将成像分辨率对战斗机及导弹运动状态的双边约束,转化为对战斗机目标线角速度的单边约束;将脱靶量转化为对导弹目标线角速度的约束,从而实现导弹运动的自主性;建立含有待定权值系数的性能指标函数,根据所建立的战斗机引导系统和导弹制导系统的动态调节时间确定该系数,逆向得出最优引导律和最优制导律,仿真结果验证了该算法的有效性。

考虑自动驾驶仪二阶动态与输入受限的制导律设计

在输入受限情形下,为了提高导弹拦截机动目标的拦截概率和毁伤效果,首先,建立了同时考虑攻击角约束、输入受限和导弹自动驾驶仪二阶动态特性的制导系统模型。其次,基于动态面技术、低通滤波器和自适应技术,设计了满足攻击角约束、输入受限和自动驾驶动态特性的自适应动态面制导律,通过引入辅助系统和新型自适应算法,不仅满足执行器物理受限的要求,同时也保证了自适应参数在系统动态过程中的有界性。最后,利用李雅普诺夫理论对整个闭环系统的稳定性给出了严格的理论证明,仿真获得的脱靶量和拦截时间分别为0.831 m和16.375 s,仿真结果表明所提出制导策略的有效性。

反舰弹道导弹一体化协同制导与控制

为提高我国火箭军对海上慢速移动目标的精确打击能力和反舰弹道导弹的突防能力,本文针对"领弹—从弹"构型的多反舰弹道导弹一体化协同制导与控制(ICGC)问题,首先通过对数学模型的变换,将一体化协同制导与控制问题提炼为一类高阶带扰动非线性多智能体系统的协同一致性算法的设计问题。其次,针对"领弹—从弹"构型的多反舰弹道导弹系统,在动态面控制(DSC)的框架下,基于一致性理论和结合扩张状态观测器(ESO)理论,设计分布式一体化协同制导与控制律。之后,对闭环系统的稳定性和收敛特性进行了严格的理论证明与分析,并取得收敛条件。一体化协同制导与控制律保证从弹在位置和速度上协同一致地趋近于期望空间构型,并使得从弹有和领弹近乎相同的攻击角度。最后,通过数字仿真对一体化协同制导控制律进行仿真校验。

基于ESO的拦截机动目标带攻击角度约束制导律

为满足攻击角度约束的要求,设计了一种考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性的制导律。建立了考虑驾驶仪二阶动态特性的带攻击角度约束项的制导系统模型,采用二阶滑模超螺旋算法对扩张状态观测器进行改进,提出了一种超螺旋扩张状态观测器,对未知目标加速度进行估计,选取一种带攻击角度约束的非奇异快速终端滑模面,结合动态面控制,提出了一种新型制导律。该制导律能使系统状态全局有限时间收敛,补偿驾驶仪动态特性。对比仿真结果表明,所提观测器估计精度高,所提制导律能够实现视线角速率和攻击角度有限时间收敛,且具有更好的制导性能。

考虑自动驾驶仪延迟的多约束末制导律

设计了一种带有落角和视场角约束的末制导律。建立了带有导弹自动驾驶仪二阶动态特性的末制导模型;构造了一种新型的滑模面并结合动态面控制给出了制导律的设计方法;利用Lyapunov稳定性理论,证明了制导系统的弹目视线角和弹目视线角速率是收敛的,结合构造的障碍Lyapunov函数和滑模面的特性证明了视场角始终满足约束条件;仿真验证了制导律的有效性。

考虑导弹自动驾驶仪动态特性的带攻击角度约束制导律

针对打击机动目标时带攻击角度约束的制导问题,采用扩张状态观测器和动态面控制方法设计一种考虑自动驾驶仪动态特性的制导律.考虑期望视线角的变化率正比于未知的目标加速度,采用扩张状态观测器对未知目标加速度进行估计.为了避免奇异问题,并克服非匹配不确定项对系统性能的影响,采用非奇异终端滑模和动态面控制方法进行制导律设计.与传统的将目标加速度设为零的制导律相比较,仿真结果表明所提出的制导律具有良好的制导性能.

考虑导弹自动驾驶仪二阶动态特性的三维导引律

基于三维(3D)空间坐标系下目标-导弹相对运动方程,考虑导弹自动驾驶仪的二阶动态特性,应用动态面控制方法设计了一种新的三维空间导引律。在设计过程中,通过引入一阶低通滤波器,使得导引律的最终表达式中不含有视线角速率的高阶导数,更易于实际应用。该导引律有效地克服了导弹控制系统的动态延迟对制导精度的影响。将该导引律与未考虑导弹自动驾驶仪动态特性的自适应滑模导引(ASMG)律和考虑导弹自动驾驶仪一阶动态特性的三维非线性导引律相比较,对目标非机动、阶跃机动和正弦机动3种情况进行仿真。仿真结果表明,在目标机动加速度快速变化,而且导弹自动驾驶仪存在较大滞后的情况下,该导引律具有更高的制导精度。

考虑驾驶仪动态特性的固定时间收敛制导律

针对打击机动目标的制导问题,设计了一种同时考虑攻击角度约束、自动驾驶仪动态特性和固定时间收敛的新型制导律。首先,基于非奇异终端滑模控制和固定时间稳定性理论,采用反步递推方法设计制导律。在制导律设计过程中,设计了一种固定时间收敛的非奇异终端滑模面,基于固定时间控制和滑模控制,设计虚拟控制律,构造一种非线性一阶滤波器解决传统反步设计中的“微分膨胀”问题。基于超螺旋算法和固定时间稳定性理论,设计了一种固定时间收敛的滑模干扰观测器,用于估计目标机动等干扰。然后,基于Lyapunov稳定性理论,对制导律的固定时间稳定性进行了证明,并给出了收敛时间的表达式。最后,通过仿真分析,验证了所提制导律的有效性,和现有制导律相比,所提制导律具有较高的制导精度和角度约束精度、较快的系统收敛速度以及较少的能量消耗。

考虑自动驾驶仪动态特性的三维双环制导律

针对导弹自动驾驶仪动态特性条件下的机动目标拦截问题,基于非线性干扰观测器和命令滤波器设计一种新的三维双环制导律.将制导系统解耦为外环系统和内环系统.其中:外环控制器产生虚拟制导指令,以零化球坐标系下的弹目法向相对速率;内环控制器产生真实制导指令,以实现导弹自动驾驶仪对外环虚拟指令的快速跟踪.由于外环命令滤波器同时计算出虚拟制导指令的一阶导数和二阶导数,三阶系统的制导律设计问题仅用两步即可完成.拦截高速高机动目标的仿真结果表明,所设计的制导律能够有效补偿导弹自动驾驶仪动态特性影响,抗目标机动鲁棒性强,制导精度优良.

考虑驾驶仪动态特性的非奇异快速终端滑模导引律

针对某些导弹在打击目标时需要满足攻击角度约束要求,基于终端滑模控制、有限时间收敛稳定性理论和动态面控制,设计了一种考虑自动驾驶仪动态特性的导引律。首先,设计了一种非奇异快速终端滑模面,结合自适应指数趋近律,推导出一种带攻击角度约束的自适应非奇异快速终端滑模导引律。该导引律克服了传统终端滑模导引律存在的奇异问题,实现了制导系统状态的全局有限时间收敛,缩短了收敛时间。然后,采用动态面控制改进该导引律,提出了一种考虑自动驾驶仪动态特性的导引律,并通过仿真试验验证了所设计导引律的有效性和优越性。