基于性能函数的高速飞行器编队切换控制方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32951

集群智能与协同控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

基于性能函数的高速飞行器编队切换控制方法

郑巧巧, 陈谋()

南京航空航天大学自动化学院，南京 211100

收稿日期:2025-10-22 修回日期:2025-11-07 接受日期:2025-11-28 出版日期:2025-12-09 发布日期:2025-12-08
通讯作者: 陈谋 E-mail:chenmou@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U23B2036);国家自然科学基金(62533012);空基信息感知与融合全国重点实验室基金(ZH2024-0058);江苏省科技计划专项资金港澳台科技合作项目(BZ2023057)

Formation switching control for high speed aircraft based on performance function

Qiaoqiao ZHENG, Mou CHEN()

College of Automation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China

Received:2025-10-22 Revised:2025-11-07 Accepted:2025-11-28 Online:2025-12-09 Published:2025-12-08
Contact: Mou CHEN E-mail:chenmou@nuaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U23B2036);National Key Laboratory Fund of Air-Based Information Perception and Fusion(ZH2024-0058);Special Fund for Science and Technology Planning Projects of Jiangsu Province： Hong Kong, Macao and Taiwan Science and Technology Cooperation Project(BZ2023057)

摘要/Abstract

摘要：

针对高速飞行器编队队形切换系统，提出一种基于性能函数的有限时间控制方法，以实现高速飞行器编队在动态任务场景下快速稳定切换队形。建立包含领导者和跟随者的编队动力学模型，并设计一种新型的基于有限时间的协同控制器，从而保证在每一模态下高速飞行器编队快速收敛至期望队形。为应对任务变化引发的编队切换，引入性能函数与驻留时间联合判断机制。该机制能通过实时评估系统状态，并结合驻留时间约束，确保仅当系统状态满足性能要求且驻留时间条件得到满足时，触发队形切换，以有效保障切换过程的平滑过渡及全局稳定性。结果表明：提出的控制方法能够保证高速飞行器编队切换的快速收敛性、全局稳定性及切换平滑性。

关键词: 高速飞行器编队, 有限时间, 性能函数, 驻留时间, 编队切换

Abstract:

For high speed aircraft formation switching systems， a performance function-based finite-time control method is proposed to achieve rapid and stable formation switching in dynamic mission scenarios. A formation dynamics model comprising a leader and followers is established， and a novel finite-time cooperative controller is designed to ensure rapid convergence to the desired formation in each mode. To address formation switching triggered by mission changes， a joint decision mechanism integrating performance functions and dwell-time constraints is introduced. This mechanism evaluates the system state in real-time and triggers formation switching only when both performance requirements are satisfied and dwell-time conditions are met， thereby ensuring smooth transitions and global switching. The results show that the proposed control method can ensure rapid convergence， global stability， and switching smoothness for high-speed aircraft formation switching.

Key words: high speed aircraft formation, finite-time, performance function, dwell time, formation switching

中图分类号:

V249

郑巧巧, 陈谋. 基于性能函数的高速飞行器编队切换控制方法[J]. 航空学报, 2026, 47(S1): 732951.

Qiaoqiao ZHENG, Mou CHEN. Formation switching control for high speed aircraft based on performance function[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(S1): 732951.

图/表 8

图 1

图 2

图 3

表1

5架HSA的初始状态

HSA	$(p x i, p v i, p z i) / m$	$V i / (m · s - 1)$
HSA0	$(100,100,3 000)$	$1 020$
HSA1	$(450,98,3 000)$	$1 000$
HSA2	$(100, - 200,3 000)$	$970$
HSA3	$(97,500,3 000)$	$1 002$
HSA4	$(- 297,101,3 000)$	$1 000$

表1

图 4

图 5

图 6

图 7

参考文献 25

[1]	张灿，王轶鹏，叶蕾. 国外近十年高超声速飞行器技术发展综述［J］. 战术导弹技术， 2020（6）： 81-86.
	ZHANG C， WANG Y P， YE L. Summary of the technological development of overseas hypersonics in the past ten years［J］. Tactical Missile Technology， 2020（6）： 81-86 （in Chinese）.
[2]	ZHANG Y， WANG X， TANG S J. A globally fixed-time solution of distributed formation control for multiple hypersonic gliding vehicles［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 98： 105643.
[3]	水晓冰，王晓芳，林平，等. 高超声速飞行器编队控制方法［J］. 战术导弹技术， 2020（5）： 139-148.
	SHUI X B， WANG X F， LIN P， et al. A formation control method of multiple hypersonic missiles［J］. Tactical Missile Technology， 2020（5）： 139-148 （in Chinese）.
[4]	张远龙，廖宇新，付钰雯，等. 高超声速飞行器编队协同飞行轨迹规划方法［J］. 飞控与探测， 2024， 7（4）： 26-32.
	ZHANG Y L， LIAO Y X， FU Y W， et al. Formation cooperative trajectory planning for multi-hypersonic vehicles［J］. Flight Control & Detection， 2024， 7（4）： 26-32 （in Chinese）.
[5]	HU Z W， LIANG J H， CHEN L， et al. A hierarchical architecture for formation control of multi-UAV［J］. Procedia Engineering， 2012， 29： 3846-3851.
[6]	DONG X W， LI Y F， LU C， et al. Time-varying formation tracking for UAV swarm systems with switching directed topologies［J］. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems， 2019， 30（12）： 3674-3685.
[7]	HU J Y， LANZON A. Cooperative adaptive time-varying formation tracking for multi-agent systems with LQR performance index and switching directed topologies［C］∥ 2018 IEEE Conference on Decision and Control （CDC）. Miami： IEEE Press， 2019： 5102-5107.
[8]	王琳，张庆杰，陈宏伟. 切换拓扑下群系统保性能编队形成问题优化控制方法［J］. 控制与决策， 2023， 38（12）： 3436-3444.
	WANG L， ZHANG Q J， CHEN H W. Optimal control method for swarm systems formation achievement problem with guaranteed-performance and switching topologies［J］. Control and Decision， 2023， 38（12）： 3436-3444 （in Chinese）.
[9]	权婉珍，罗哲，杨小冈，等. 间歇通信条件下多无人机保性能编队追踪控制［J］. 系统工程与电子技术， 2021， 43（11）： 3288-3294.
	QUAN W Z， LUO Z， YANG X G， et al. Guaranteed-performance formation tracking control of multi-UAVs with intermittent communication［J］. Systems Engineering and Electronics， 2021， 43（11）： 3288-3294 （in Chinese）.
[10]	AMATO F， ARIOLA M， COSENTINO C. Finite-time stability of linear time-varying systems： analysis and controller design［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2010， 55（4）： 1003-1008.
[11]	GUAN Z H， SUN F L， WANG Y W， et al. Finite-time consensus for leader-following second-order multi-agent networks［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems， 2012， 59（11）： 2646-2654.
[12]	TAN J L， WANG W Q， YAO J. Finite-time stability and boundedness of switched systems with finite-time unstable subsystems［J］. Circuits， Systems， and Signal Processing， 2019， 38（7）： 2931-2950.
[13]	王通，王青，李玮，等. 基于模型依赖平均驻留时间的线性切换系统有限时间H_∞控制［J］. 控制与决策， 2015， 30（7）： 1189-1194.
	WANG T， WANG Q， LI W， et al. Finite-time H_∞ control for switched linear systems based on mode-dependent average dwell time［J］. Control and Decision， 2015， 30（7）： 1189-1194 （in Chinese）.
[14]	闫实，吴修振，王帅磊，等. 有向切换拓扑下非线性多智能体系统的一致性控制［J］. 航空学报， 2020， 41（）： 171-180.
	YAN S， WU X Z， WANG S L， et al. Consensus of nonlinear multi-agent systems with directed switching topologies［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（Sup 2）： 171-180 （in Chinese）.
[15]	任彦，岳美霞，解东，等. 基于有限时间干扰观测器的多智能体系统的协同控制［J］. 信息与控制， 2021， 50（3）： 343-349.
	REN Y， YUE M X， XIE D， et al. Cooperative control of multi-agent systems based on finite-time disturbance observer［J］. Information and Control， 2021， 50（3）： 343-349 （in Chinese）.
[16]	贾超，王泓锟，上官铉岳. 基于多智能体系统的自适应递归终端滑模控制算法［J］. 化工自动化及仪表， 2024， 51（6）： 965-972.
	JIA C， WANG H K， SHANGGUAN X Y. Adaptive recursive terminal sliding mode control algorithm based on multi-agent system［J］. Control and Instruments in Chemical Industry， 2024， 51（6）： 965-972 （in Chinese）.
[17]	张磊，方洋旺，毛东辉，等. 导弹协同攻击编队自适应滑模控制器设计［J］. 宇航学报， 2014， 35（6）： 700-707.
	ZHANG L， FANG Y W， MAO D H， et al. Adaptive sliding-mode controller design for missile cooperative engagement［J］. Journal of Astronautics， 2014， 35（6）： 700-707 （in Chinese）.
[18]	杨洁，陈谋，熊师洵，等. 倾转旋翼机平均驻留时间切换鲁棒H_∞跟踪控制［J］. 控制理论与应用， 2020， 37（5）： 1018-1027.
	YANG J， CHEN M， XIONG S X， et al. Average dwell time switching robust H_∞ tracking control for a tiltrotor aircraft［J］. Control Theory & Applications， 2020， 37（5）： 1018-1027 （in Chinese）.
[19]	苏庆宇. 几类具态束的切换系统的控制设计［D］. 沈阳：东北大学， 2013.
	SU Q Y. Control design of classes of switched systems with state constraints［D］. Shenyang： Northeastern University， 2013 （in Chinese）.
[20]	柳灿. 基于有限稳定性理论的线性系统最优反馈控制器设计［D］. 北京：北京邮电大学， 2021.
	LIU C. Optimal feedback controller design for linear svstems based on finite-time stability theory［D］. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2021 （in Chinese）.
[21]	庞强伟，朱拥勇，陈晔，等. 切换拓扑下多智能体时变编队控制方法［J］. 中国惯性技术学报， 2024， 32（5）： 511-520.
	PANG Q W， ZHU Y Y， CHEN Y， et al. Time-varying formation control method for multi-agent under switching topologies［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2024， 32（5）： 511-520 （in Chinese）.
[22]	LI Y， LIANG H Z. Robust finite-time control algorithm based on dynamic sliding mode for satellite attitude maneuver［J］. Mathematics， 2022， 10（1）： 111.
[23]	WEI L L， CHEN M， SHI S. Dynamic event-triggered consensus cost-based switching control for UAV formation with disturbances［J］. IEEE Transactions on Intelligent Vehicles， 2024， 9（2）： 3531-3543.
[24]	郑惠敏. 基于切换时变Lyapunov函数的切换系统稳定性研究［D］. 济南：济南大学， 2023.
	ZHENG H M. Stability of switched systems based on switched time-varying Lyapunov function［D］. Jinan： University of Jinan， 2023 （in Chinese）.
[25]	王未，王莉，黄迟. 脉冲控制下多智能体系统的保性能双向编队控制［J］. 控制与决策， 2021， 36（1）： 180-186.
	WANG W， WANG L， HUANG C. Guaranteed cost bipartite formation problem of multi-agent systems with impulse control［J］. Control and Decision， 2021， 36（1）： 180-186 （in Chinese）.

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

基于性能函数的高速飞行器编队切换控制方法

Formation switching control for high speed aircraft based on performance function

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	李钊星, 杨林, 王霞, 许斌. 基于强迫振荡的战斗机有限时间深失速改出控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532491-532491.
[2]	王婕, 杨铭, 田栢苓, 李博皓, 陈治世. 高速变外形飞行器动态事件触发预设性能编队控制[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532499-532499.
[3]	郭玉英, 廖兰馨, 张晓强, 张友民, 王凯. 无人机复合执行器故障有限时间容错控制[J]. 航空学报, 2026, 47(4): 332659-332659.
[4]	郑峰婴, 沈志敏, 李雅琴, 徐楷钊, 王新华. 共轴高速直升机增益自适应多模式切换控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529088-529088.
[5]	黄山, 吕永玺, 朱奇, 李珂澄, 史静平. 仅使用距离量测的多无人机协同环绕未知目标[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 329535-329535.
[6]	刘伯健, 李爱军, 郭永, 王长青. 带有输入受限的无人机精确编队合围容错控制[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327414-327414.
[7]	张豪, 王鹏, 汤国建, 包为民. 高超声速变外形飞行器事件触发有限时间控制[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528494-528494.
[8]	陈浩岚, 王鹏, 汤国建. 变形飞行器输出误差受限与输入饱和控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528762-528762.
[9]	李新凯, 张宏立, 范文慧. 非匹配扰动下变体无人机预设性能控制[J]. 航空学报, 2022, 43(2): 325008-325008.
[10]	丁一波, 岳晓奎, 代洪华, 崔乃刚. 考虑进气约束的高超声速飞行器预定性能控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524838-524838.
[11]	郭建国, 鲁宁波, 周军. 高超声速飞行器有限时间耦合模糊控制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623838-623838.
[12]	李晓宝, 赵国荣, 张友安, 郭志强. 自适应严格收敛非奇异终端滑模制导律[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 322569-322569.
[13]	张秀云, 宗群, 窦立谦, 刘文静. 柔性航天器振动主动抑制及姿态控制[J]. 航空学报, 2019, 40(4): 322503-322503.
[14]	赵建博, 杨树兴, 熊芬芬. 无导引头也无惯导导弹的协同制导[J]. 航空学报, 2019, 40(10): 323191-323191.
[15]	马广富, 朱庆华, 王鹏宇, 郭延宁. 基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制[J]. 航空学报, 2018, 39(6): 321763-321763.