基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制

doi:10.7527/S1000-6893.2014.0290

电子与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制

刘宇超¹, 郭建国¹, 周军¹, 王国庆²

1. 西北工业大学精确制导与控制研究所, 西安 710072;
2. 中国运载火箭技术研究院研发中心, 北京 100076

收稿日期:2014-08-18 修回日期:2014-10-16 出版日期:2015-07-15 发布日期:2014-10-27
通讯作者: 郭建国男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 飞行器制导、控制与仿真, 先进控制理论及应用。 Tel: 029-88493113 E-mail: guojianguo@nwpu.edu.cn E-mail:guojianguo@nwpu.edu.cn
作者简介:刘宇超男, 硕士研究生。主要研究方向: 飞行器制导控制。 Tel: 029-88493113 E-mail: lyc-me@qq.com;周军男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 飞行器制导、控制与仿真, 先进控制理论及应用。 Tel: 029-88492787 E-mail: zhoujun@nwpu.edu.cn;王国庆男, 硕士, 工程师。主要研究方向: 飞行器制导、控制与仿真。 Tel: 010-88531323 E-mail: 15094098060@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(61473226); 航天科技创新基金 (N14XW0001)

Hypersonic vehicle attitude control based on new fast terminal sliding mode

LIU Yuchao¹, GUO Jianguo¹, ZHOU Jun¹, WANG Guoqing²

1. Institute for Precise Guidance and Control, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China

Received:2014-08-18 Revised:2014-10-16 Online:2015-07-15 Published:2014-10-27
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (61473226); Astronautics Science and Technology Innovation Foundation (N14XW0001)

摘要/Abstract

摘要：

为了提高Terminal滑模的收敛速度,避免滑模控制器奇异,首先分析Terminal滑模控制器出现奇异的原因,提出了一种新型非奇异快速Terminal滑模,其收敛速度在任意点均快于双幂次形式的Terminal滑模,并给出收敛时间公式。基于此,又改进了一种结构更为简单的非奇异快速Terminal滑模。针对高超声速飞行器姿态模型,利用新型快速Terminal滑模,采用干扰观测器逼近姿态的复合干扰,设计了高超声速飞行器内、外回路Terminal滑模控制器。采用一阶滤波器,消除了由Terminal滑模所导致最终控制器的奇异问题;基于Lyapunov稳定性理论,严格证明了飞行器姿态内、外回路系统的有限时间稳定。最后,通过飞行器在气动参数标称与拉偏情况下的数字仿真,验证了设计方案的有效性。

关键词: Terminal滑模控制, 高超声速飞行器, 观测器, 鲁棒控制, Lyapunov稳定性

Abstract:

To accelerate the convergence of a terminal sliding mode and avoid the singularity of the sliding mode controller, a new nonsingular fast terminal sliding mode, whose convergence speed is faster than that of the terminal sliding mode with double power functions at any point, is proposed according to an analysis of the cause of the singularity of the designed controller. The formula of convergence time is drived. Thereafter, a simpler nonsingular terminal sliding mode is designed. The nonsingular sliding mode controller is designed for the inner loop and outer loop of a hypersonic vehicle with an order filter by applying the new terminal sliding mode. In order to improve the control effect, two nonlinear observers are used to approximate the compound disturbances. The system including the inner loop and outer loop is proven to be stable in the finite time by means of the Lyapunov stability theorem. Finally, the performances and robustness are assessed through a hypersonic vehicle with model parameter perturbations.

Key words: terminal sliding mode, hypersonic vehicle, observer, robust control, Lyapunov stability

中图分类号:

刘宇超, 郭建国, 周军, 王国庆. 基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制[J]. 航空学报, 2015, 36(7): 2372-2380.

LIU Yuchao, GUO Jianguo, ZHOU Jun, WANG Guoqing. Hypersonic vehicle attitude control based on new fast terminal sliding mode[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2015, 36(7): 2372-2380.

参考文献

[1] Huang L, Duan Z S, Yang J Y. Challenges of control science in near space hypersonic aircrafts[J]. Control Theory and Application, 2011, 28(10): 1496-1506 (in Chinese). 黄琳, 段志胜, 杨剑影. 近空间高超声速飞行器对控制科学的挑战[J]. 控制理论与应用, 2011, 28(10): 1496-1506.
[2] Dong C, Hou Y, Zhang Y, et al. Model reference adaptive switching control of a linearized hypersonic flight vehicles model with actuator saturation[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, 2010, 224(3): 289-303.
[3] Utkin V I. Sliding modes in control optimization[M]. Heidelberg: Springer, 1992.
[4] Yu X, Man Z. Model reference adaptive control systems with terminal sliding modes[J]. International Journal of Control, 1996, 64(6): 1165-1176.
[5] Man Z, Yu X. Terminal sliding mode control of mimo linear systems[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, 1997, 44(11): 1065-1070.
[6] Park K B, Tsuji T. Terminal sliding mode control of second-order nonlinear uncertain system[J]. International Journal of Robust and Nonlinear Control, 1999, 9(11): 769-780.
[7] Hu J B, Shi M H, Zhuang K Y, et al. Terminal sliding mode control for a class of nonlinear system[J]. Control Theory and Application, 2005, 22(3): 495-498 (in Chinese). 胡剑波, 时满宏, 庄开宇, 等. 一类非线性系统的termainal滑模控制[J]. 控制理论与应用, 2005, 22(3): 495-498.
[8] Yu X H, Man Z H. Fast terminal sliding mode control design dynamic systems[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, 2002, 49(2): 261-264.
[9] Yong F, Yu X H, Man Z H. Nonsingular terminal sliding mode control of rigid manipulator[J]. Automatic, 2002, 38(12): 2159-2167.
[10] Zou A M, Kumar K D, H Z G, et al. Finite-time attitude tracking control for spacecraft using terminal sliding mode and chebyshev neural network[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, 2011,41(4): 950-962.
[11] Zhang J, Jiang C S. Robust adaptive terminal sliding mode control for high dynamic near space vehicle based on estimation of complex disturbance[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(5): 1896-1901 (in Chinese). 张军, 姜长生. 基于复杂干扰估计的高速NSV鲁棒自适应模糊termainal滑模控制[J]. 宇航学报, 2009, 30(5): 1896-1901.
[12] Hang Z, Zong Q, Tian B L, et al. Hypersonic vehicle attitude control using terminal sliding mode control[J]. Control and Decision, 2013, 28(2): 259-263 (in Chinese). 杭钊, 宗群, 田柏苓, 等. 基于terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制[J]. 控制与决策, 2013, 28(2): 259-263.
[13] Song Z K, Li H X, Sun K B. Finite-time control for nonlinear spacecraft attitude based on terminal sliding mode technique[J]. ISA Transactions, 2014, 53(1): 117-124.
[14] Pu M, Wu Q X, Jiang C S, et al. New fast terminal sliding mode and its application to near space vehicle[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2011, 32(7): 1283-1291 (in Chinese). 蒲明, 吴庆宪, 姜长生, 等. 新型快速termainal滑模及其在近空间飞行器上的应用[J]. 航空学报, 2011, 32(7): 1283-1291.
[15] Wang G X, Zhou Z M. Ordinary differential equation[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006 (in Chinese). 王高雄, 周之铭. 常微分方程[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
[16] Man Z, Paplinski A P, Wu H R. A robust MIMO terminal sliding mode control scheme for rigid robotic manipulators[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1994,39(12): 2464-2469.
[17] Keshmiri S, Colgren R, Mirmirani M. Six DoF nonlinear equations of motion for a generic hypersonic vehicle, AIAA-2007-6626[R]. Reston: AIAA, 2007.
[18] Zhou F Q, Wang Y, Zhou J, et al. Design of variable structure controller for dynamic vehicle coupling system[J]. Journal of Astronautics, 2011, 32(1): 66-71 (in Chinese). 周凤岐, 王延, 周军, 等. 高超声速飞行器耦合系统变结构控制设计[J]. 宇航学报, 2011, 32(1): 66-71.
[19] Chen X S, Yang J, Li S H, et al. Disturbance observer based multi-variable control of ball mill grinding circuits [J]. Journal of Process Control, 2009, 19(7): 1205-1213.
[20] Zhang T Y, Zhou J, Guo J G. Design of predictive controller for hypersonic vehicles based on disturbance observer[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(1): 215-222 (in Chinese). 张天翼, 周军, 郭建国. 基于干扰观测器的高速飞行器预测控制律设计[J]. 航空学报, 2014, 35(1): 215-222.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制

Hypersonic vehicle attitude control based on new fast terminal sliding mode

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	杨博, 于贺, 樊子辰. 微观能量分析气动光学效应时变误差的方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 128703-128703.
[2]	李洁, 黄文新, 蔡一鸣, 王思远, 高宇飞, 蒋雪峰. 基于DFPMM的位置传感器故障诊断与容错控制[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 329307-329307.
[3]	张宏岩, 王伟, 陈仕伟, 纪毅, 刘佳琪. 基于全驱系统方法的制导控制一体化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628891-628891.
[4]	张清瑞, 刘赟韵, 孙慧杰, 朱波. 固定翼无人机紧密编队的鲁棒协同跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 629233-629233.
[5]	崔凯鑫, 段广仁. 基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628892-628892.
[6]	殷泽阳, 邢友朋, 韩飞, 魏才盛, 廖宇新. 编队航天器协同绕飞非合作目标的全驱预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628904-628904.
[7]	刘坤达, 刘雪明, 朱波, 张清瑞. 面向狭窄通道穿越的多机编队安全鲁棒控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729768-729768.
[8]	马平, 张宁, 石安华, 于哲峰, 梁世昌, 黄洁. 典型微波波段信号在模拟等离子体中的传输特性[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729476-729476.
[9]	倪炜霖, 王永海, 徐聪, 赤丰华, 梁海朝. 基于强化学习的高超飞行器协同博弈制导方法[J]. 航空学报, 2023, 44(S2): 729400-729400.
[10]	孙笑云, 吴树范, 沈强. 基于LMI的输出跟踪自适应鲁棒无拖曳控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727654-727654.
[11]	赵旭, 齐国元, 蔚昕晨, 胡建兵, 李霞. 补偿函数观测器及其在飞行器姿态控制中的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327224-327224.
[12]	李政, 于剑桥, 赵新运. 空空导弹敏捷转弯固定时间收敛滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 327262-327262.
[13]	陈浩宇, 王彬文, 宋巧治, 李晓东. 热颤振地面模拟试验技术[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 227295-227295.
[14]	徐世昊, 关英姿, 浦甲伦, 韦常柱. VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 326857-326857.
[15]	王梓伊, 张伟伟, 刘磊, 杨肖峰. 适用于复杂流动的热气动弹性降阶建模方法[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126807-126807.