非匹配不确定网络离散滑模控制及在导弹姿态控制中的应用
禹春来 许化龙
第二炮兵工程学院,西安710025
摘 要 针对具有模型不确定和时变干扰的线性离散时滞网络控制系统,提出了一种新的滑模控制器的设计方法。证明系统在该控制器的控制下,全局一致有界收敛,并给出了收敛的界。该方法降低了常规滑模控制中的抖振并增强了系统的鲁棒性。由于不需要如常规离散滑模控制那样判断扰动和不确定的界,使该设计方法简单易行,并降低了系统抖振现象。最后将其应用在导弹姿态控制系统的设计中,取得了良好的效果。
关键词 离散变结构控制;网络诱导延时;控制率;导弹姿态控制;抖振
中图分类号:TP271 文献标识码:A
文章编号:1006-3242(2008)06-0033-05
导弹姿态控制系统是导弹飞行控制系统的基本组成部分,导弹弹体作为被控对象。弹体运动模型是复杂的多维、时变、非线性模型,包含有许多不确定性因素,而且其在飞行过程中要受到风干扰、内部结构干扰等内外干扰,采用变结构控制方法来对姿态控制系统进行设计将会增强系统鲁棒性,并可改善其动静态特性。
但是以往的离散变结构控制多是采用连续系统设计的方法,对其进行离散化来得到离散的变结构控制器,不考虑干扰和不确定的情况[1]。文献[2]中应用了自适应控制率,用神经网络抵消不确定性的影响,但是对于时滞同样也没有考虑,对于造成的误差没有做定性的分析。文献[3]基于离散的系统模型,在状态预估的基础上,设计了滑模预估控制器。该方法是通过引入信息接受缓冲区来实现时延的确定化。这样人为扩大了时延,降低了系统性能。
文献[4]考虑了时滞的情况,但是对于干扰和模型的不确定性则没有分析。也有一些考虑了干扰的情况[5],但是在导弹上,随着弹载计算机和总线网络的应用,还需要研究离散时滞的情况。
本文针对单输入控制系统的离散模型,基于文献[5]的离散滑模控制方法,考虑到网络产生时滞的情况,设计了一种新的有网络时滞的滑模控制策略,通过分析系统滑模面的运动条件,证明该控制方法能使系统状态在有时变不确定摄动和时变干扰的前提下,全局一致有界收敛于滑模面并减少了系统的抖振,在有时不变的模型不确定和干扰的条件下,渐近稳定地收敛到滑模面并且不产生抖振。最后以导弹的姿态控制系统为对象进行仿真研究。仿真结果表明,新方案可以有效地减少抖振,控制效果良好,具有很强的鲁棒性。
1 系统描述
假设单输入网络化控制系统中的被控对象为连续线性时变系统,其动态方程为:
取Λ=0.7,按本文提出新的控制方法,采用控制率(7)式进行仿真,仿真结果在图中为虚线表示。为了作比较,同时按传统的常规方法,采用文献[8]中的离散趋近律公式(38),取q=2.5,ε=0.2进行仿真,仿真结果在图中用实线表示。
限于篇幅只列出仿真效果图1~图5。图1和图2为系统输出ψ,ψ.的变化曲线,从图中可以看出,在有较强干扰的情况下,采用两种控制方法,ψ,ψ.输出出现的抖动都很小,但是从局部放大图上可以看出,新的控制方法具有更好的控制精度。图3为控制器的输出信号,从图3的局部放大图图4中可以看出,新方法较常规方法,其输出抖振大为降低,信号平滑。从控制率的表达式(7)可以看出,其并不包含常规离散控制率中抖动项,只是因为干扰信号的存在,从而有一个小的抖动,这和常规离散滑模控制中,因包含符号函数而产生的抖振从原理上是不同的,并且其幅值较常规滑模也大为减小。这同样反映在系统输出状态曲线和切换函数曲线中。图4是切换函数,可以看出,在2种滑模控制器的控制下,s(k)都趋近于零,但是新的控制方法抖动的幅值较小。本文第2部分的分析中得出的结论:只要干扰的变化率较小,采样的时间足够短,则控制精度就可以很高,在仿真效果图图1~图5中得到了证明。由图中可以看出,在存在较大参数摄动和干扰的情况下,所设计的控制器能够使导弹姿态系统很快稳定下来,较好地消除了系统抖振,显示了极强的鲁棒性。
4 结 论
针对系统存在时变模型不确定和干扰,以及有总线传输时滞的情况,提出了一种新的离散滑模变结构控制方法。理论分析表明,该控制方法对系统的模型不确定和干扰均具有较好的鲁棒性,控制精度较高,同时降低了系统出现的抖振,增强了系统的鲁棒性。将其应用于导弹姿态控制系统,证明了其效果良好。该设计方法也可以应用于其它领域。
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