Adaptive Integral Sliding Mode Saturation Guidance Law for Intercepting High Velocity Maneuvering Target

Chen Baowen, Sun Jingguang

Aerospace Control ›› 2022, Vol. 40 ›› Issue (5) : 8-14.

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Guidance, Navigation and Control

Adaptive Integral Sliding Mode Saturation Guidance Law for Intercepting High Velocity Maneuvering Target

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Abstract

In this paper, the problem of three-dimensional guidance for intercepting high velocity maneuvering target is studied and analyzed. Firstly, According to the head pursuit, the three-dimensional guidance system model is introduced. Secondly, an adaptive integral sliding mode guidance law is designed, which is based on the integral sliding mode and adaptive algorithm. Thirdly, an anti-saturation adaptive integral sliding mode based three dimensional guidance law is designed by introducing an auxiliary system. Finally, the stability of the designed guidance strategy is proved by using Lyapunov stability theory, and numerical simulations show the effectiveness of the proposed guidance scheme.

Key words

Saturation guidance law / Input constraint / Integral sliding mode control / Adaptive control

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Chen Baowen , Sun Jingguang. Adaptive Integral Sliding Mode Saturation Guidance Law for Intercepting High Velocity Maneuvering Target[J]. Aerospace Control, 2022, 40(5): 8-14

0 引言

高速飞行器技术的快速发展,对拦截导弹的飞行速度和机动性能提出了更高的要求[1-3]。目前导弹末端的主要拦截方式不再适用于拦截高速飞行的机动目标[4-5]
目前防御武器的拦截方式是拦截者的速度大于目标的速度时,采用尾追拦截,相反采用迎头拦截。与高速机动目标相比,拦截导弹不再具有速度上的优势,因此,传统的制导方式很难保证高拦截概率。为拦截高速大机动目标,文献[6]首次提出前向制导方式,使得弹目运动速度相对较小,末端制导时间变长,增大攻击区域。滑模控制对系统内部参数的摄动和外界的干扰具有强的鲁棒性,因此,在飞行器制导控制系统设计中得到了广泛应用[7-9]。文献[10-11] 针对二维平面内拦截高速机动目标,采用前向制导方式设计了自适应滑模制导律。文献[12]以拦截高速飞行器为目标,通过联合滑模控制和自适应技术,设计了自适应滑模三维制导律,但没有考虑执行器输入受限情况。文献[13]针对拦截高速机动目标,利用逆轨拦截方式,结合最优控制理论和双曲正弦函数,设计了带有角度约束的三维最优制导律。
在实际制导过程中,导弹的加速度指令具有一定的物理约束条件,若在制导律设计过程中不考虑输入受限,则可能导致制导系统性能的下降,甚至引起整个制导闭环系统的不稳定[14]。文献[15-16]在制导律中引入双曲正切函数解决了导弹执行器输入受限问题。文献[17-18]基于指令滤波反步控制方法,分别设计了满足输入饱和约束的二维和三维制导律。
为了拦截高速飞行目标,本文采用前向制导方式,基于自适应方法、积分滑模控制理论和辅助系统,分别设计了自适应滑模三维制导律和抗饱和的自适应滑模三维制导律。

1 问题描述

采用前向制导方法,三维的弹目相对运动几何关系如图1所示。
图1 三维弹目相对运动几何示意图

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则拦截机动目标的三维弹目相对运动学模型[12]如下:
R˙=VmcosθmcosϕmVtcosθtcosϕt
(1)
Rθ˙L=VmsinθmVtsinθt
(2)
ϕ˙LRcosθL=VmcosθmsinϕmVtcosθtsinϕt
(3)
θ˙t=aztVtϕ˙LsinθLsinϕtθ˙Lcosϕt
(4)
ϕ˙t=aytVtcosθt+ϕ˙LsinθLcosϕttanθtθ˙Lsinϕttanθtϕ˙LcosθL
(5)
θ˙m=azmVmϕ˙LsinθLsinϕmθ˙Lcosϕm
(6)
ϕ˙m=aymVmcosθm+ϕ˙LsinθLcosϕmtanθmθ˙Lsinϕmtanθmϕ˙LcosθL
(7)
其中,T为目标,M为拦截弹。VtVm分别是目标的速度和拦截弹的速度;θLϕL分别是视线关于参考坐标系的仰角和方位角。θtϕt为目标速度矢量前置角;θmϕm为拦截弹速度矢量前置角。aytazt是目标的加速度,aymazm是拦截弹的加速度。
在设计过程中要求下式成立
θm=n1θt
(8)
ϕm=n2ϕt
(9)
其中,n12均为大于1的常数。保证式(8)和(9)中θmϕm分别随着θtϕt的衰减而衰减。
为方便制导律设计,令 x=x1x2=θmϕm, y= y1y2=θtϕt,对系统模型式(8)和(9)可整理为:
x˙i=Biui+Fi
(10)
y˙i=Mi+Ei
(11)
其中, u= u1u2=azmaym为控制输入, M= M1M2=aztVtayt(Vtcosθt)为外部干扰,
B=B1B2=1Vm001(Vmcosθm),
E=E1E2=-ϕ·LsinθLsinϕt-θ·Lcosϕtϕ·LsinθLcosϕttanθt-θ·Lsinϕttanθt-ϕ·LcosθL,
F=F1F2=-ϕ·LsinθLsinϕm-θ·Lcosϕmϕ·LsinθLcosϕmtanθm-θ·Lsinϕmtanθm-ϕ·LcosθL

2 制导律设计

针对制导模型式(10)和(11),利用积分滑模控制理论、自适应方法和辅助系统,分别设计了自适应积分滑模制导律和自适应饱和积分滑模控制律。

2.1 自适应积分滑模制导律设计

为满足前向制导条件,令
ei=xi-niyi(i=1,2)
(12)
设计带有自适应增益的积分滑模面为
si=eiei(0)+k^1t0   sigα1(ei)dτ
(13)
其中, k^1为自适应增益,0<α1<1。
对式(13)求导可得
s˙i=xiniyi+k^1sigα1(ei)+k^1t0   sigα1(ei)dτ=Biui+FiniMiniEi+k^1sigα1(ei)+k^1t0    sigα1(ei)dτ
(14)
其中,niMi为系统干扰项。
为方便制导律的设计,给出以下相关假设和引理。
假设1:假设系统干扰项niMi存在未知上界,即 niMidMi,且dMi为未知正常数。
引理1[8]:考虑系统 ξ˙=f(ξ),f(0)=0,ξ(0)=ξ0,ξ∈Rn,若存在正定连续函数V(x),满足 V·(x)≤-αVp(x)+σ,其中p∈(0,1),α>0, 0<σ<∞,则系统状态为实际有限时间稳定的。
为有效处理外部扰动,利用自适应算法对干扰上界进行估计,根据式(14),设计自适应积分滑模三维前向制导律。
ui=Bi1 (FiniEi+k^1sigα1 (ei)+k2si)Bi1 (k3sig(si)βk^Misign(si))
(15)
k^1=1st0   sigα1 (ei)(τ)dτ
(16)
d^Mi=γi(|si|pid^Mi)
(17)
其中,k2,k3,1,γipi为正常数,0<β<1。
定理1:针对系统式(11),在假设1条件下,当外部扰动上界未知时,在制导律(15)和自适应律式(16)~(17)的作用下,滑模变量si是实际有限时间稳定的,则ei在有限时间内收敛到任意小区域内。
证明:选取Lyapunov函数
V1=12si2+12γid˙Mi2
(18)
其中, d˙Mi=d^Mi-dMi
对式(18)求导可得
V1=sis˙i+1γid~Mid~˙Mi=si(Biui+FiniMiniEi)+1γid~Mid~˙Mi++si(+k^1sigα1 (ei)+k^˙1t0   sigα1(ei)dτ)k2si2k3sisig(si)β1si2(t0   sigα1(ei)dτ)2si(dMid^Misign(si))+1γid~Mid~˙Mi
(19)
根据
si(dMid^Misign(si))d~Mi|si|
(20)
将式(20)代入(19)中可得
V˙1k2si2k3sisig(si)β1si2(t0   sigα1 (ei)dτ)2+d~Mi|si|1γid~Mi(γi(|si|pid^Mi))k2si2k3sisig(si)β+d~Mi|si|1γid~Mi(γi(|si|pid^Mi))k2si2k3sisig(si)β+pid~Mid^Mi
(21)
对满足δ1>1/2的正常数δ1,可使得下列不等式成立
pid~Mid^Mipi(d~Mi2+12δ1d~Mi2+δ12dMi2)pi(2δ11)2δ1d~Mi2+piδ12dMi2
(22)
将式(22)代入(21)中,整理可得
V˙1k2si2pi(2δ11)2δ1d~Mi2k3sisig(si)β+piδ12dMi2min(2k2,piγi(2δ11)δ1)V1+piδ12dMi2
(23)
由式(23)可得si和为d~Mi最终一致有界的,进一步可得是有界的。
选择李雅普诺夫函数
V2=12si2+12γi(d¯Mid^Mi)2
(24)
其中, d-Mi为一个正常数,并且满足 d-Mi>d^Mi d-Mi>dMi
利用式(15)和(17),对式(24)求导整理得
V2=sis˙i1γi(d¯Mid^Mi)d^˙Mik2si2k3sisig(si)β1si2 (t0   sigα1 (ei)dτ)2si(dMid^˙Misign(si))1γi(d¯Mid^Mi)d^˙Mi
(25)
根据
si(dMid^˙Misign(si)) (d¯Mid^Mi)|si|
(26)
将式(26)代入(25)中,整理可得
V2k2si2k3sisig(si)β+pi(d¯Mid^Mi)d^Mik2si2k3sisig(si)β(d¯Mid^Mi)pi2d^Mi2+pi2d¯Mi2+(d¯Mid^Mi)min(2(1+β)/2k2,2γi(1+β)/2)minV2(1+β)/2+pi2d¯Mi2+(d¯Mid^Mi)ε1V2β+C1
(27)
其中,ε1=min 21+β2k3,Pi(2δ1-1)δ1(β+1)/2,C1= pi2d-Mi2+(d-Mi-d^Mi),因为 d-Mi-d^Mi是有界的正数,因此,C1为有界量。根据式(27)和引理1可得,系统是实际有限时间稳定的,因此,滑模变量si是实际有限时间稳定的。由文献[15]可知,通过选取合适的k2,k3,1,γipi等制导参数,可使得则ei在有限时间内收敛到任意小区域内。

2.2 自适应饱和积分滑模制导律设计

考虑输入受限,前向制导模型可重写为
ei=Bisat(ui)+FiniMiniEi
(28)
根据式(28)对(13)求导可得
s˙i=xiniyi+k1sigα1 (ei)=Bisat(ui)+FiniMiniEi+k^1si   gα1(ei)+k^1t0   sigα1(ei)dτ
(29)
为了处理饱和约束,引入如下的辅助系统
ηi{kηηiηi|ηi|2(|siBi Δ ui|+12 Δ ui2)+ Δ uikη1sig(ηi)β|ηi|σ0   |ηi|<σ
(30)
其中,Δui=ui-uic, uic为需要设计的控制输入,ηi为辅助系统状态量,σ,kηkη1为正常数。
设计自适应抗饱和积分滑模三维制导律
uic=Bi1 (FiniEi+k^1sigα1 (ei)+k2si)Bi1(k3sig(si)βkηηid^Misign(si))
(31)
k^˙1=1st0   sigα1 (ei)(τ)dτ
(32)
d^˙Mi=(γi|si|pid^Mi)
(33)
定理2:针对三维制导系统式(28),在假设1条件下,当外部扰动上界未知时,在制导律式(31)的作用下,滑模面si为实际有限时间稳定的,可使得则ei在有限时间内收敛任意小区域内。
证明:选取Lyapunov函数
V3=12si2+12ηi2+12γid~Mi2
(34)
对式(34)求导并代入(31)和(33)整理得
V˙3=sis˙i+ηiη˙i+1γid~Mid~˙Mik2si2k3sisig(si)β1si2(t0   sigα1(ei)dτ)2si(dMid^Misign(si))+siBiΔui+kηsiηi+ηiη˙i+1γid~Mid~˙Mik2si2k3sisig(si)β1si2(t0   sigα1(ei)dτ)2si(dMid^Misign(si))+siBiΔui+kηsiηikηηi2(|siBi Δ   ui|+12 Δ ui2)+ηiΔuikη1ηisig(ηi)β+1γid~Mid~˙Mi
(35)
根据
siBiΔui|siBi Δ ui|0
(36)
kηsiηi+ηiΔui12kηsi2+12 (kη+1)ηi2+12 Δ   ui2
(37)
将式(36)和(37)代入(35)整理可得
V˙3(k2kη2)si2k3sisig(si)β(kη212)ηi21si2(t0   sigα1 (ei)dτ)2+1γid~Mid~˙Mikη1ηisig(ηi)β+si(dMid^Misign(si))
(38)
根据式(20)和(22),则式(38)可整理为
V˙3(k2kη2)si2k3sisig(si)β(kη212)ηi2kη1ηisig(ηi)βpi(2δ11)2δ1d~Mi2+piδ12dMi2min(2(k2kη2),2(kη212),piγi(2δ11)δ1)V3+piδ12dMi2
(39)
由式(39)可以得sid~Mi是有界的。进一步可以得到是有界的。
选择李雅普诺夫函数
V4=12si2+12ηi2+12γi(d¯Mid^Mi)2
(40)
其中, d-Mi为一个正常数,并且满足 d-Mi> d^Mi d-Mi>dMi
利用式(32)和(33),对式(40)求导并整理可得
V˙4(k2kη2)si2k3sisig(si)β(kη212)ηi2kη1ηisig(ηi)β(d¯Mid^Mi)pi2d^Mi2+pi2d¯Mi2+(d¯Mid^Mi)min(2(1+β)/2k3,2(1+β)/2kη1,2γi(1+β)/2)V4(1+β)/2+pi2d¯Mi2+(d¯Mid^Mi)ε2V4β+C2
(41)
其中,ε2=min{min(2(1+β)/2k3,2(1+β)/2kη1, 2γi(1+β)/2)},C2= pi2d-Mi2+(d-Mi-d^Mi),且C2为有界量。根据式(41)和引理1可得系统是实际有限时间稳定的。因此,滑模变量si是实际有限时间稳定的,即可得ei在有限时间内收敛到任意小区域内。

3 仿真校验

为了验证制导律的有效性。初始参数为:弹目相对距离为5000m,目标位置为:(0m,0m,0m),拦截弹位置为(4820m,1020m,-870m),视线角值为θL=-10°ϕL=-12°,导弹前置角为θm(0)=-20°ϕm(0)=-15°,目标前置角为θt=-20°ϕt=-15°,导弹的速度为1500m/s,目标的速度为2100m/s,目标的加速度为2g。

3.1 自适应积分滑模制导律仿真分析

为表明本文制导策略的鲁棒性,与文献[7]中的简称为SMGL的制导律进行仿真对比。为对比简便,自适应积分滑模制导律简写为ATSMGL。制导参数选取:k2=0.2、k3=0.5、1=0.02、γi=0.05、pi=0.01、β=0.62和α1=0.7,其仿真结果如图2~3所示。表1给出了2种制导律所产生的脱靶量和拦截时间。
图2 视线倾角和视线偏角曲线

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图3 导弹加速度曲线

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图2给出的是视线倾角θm,θt曲线和视线偏角ϕm,ϕt曲线,从图中可看出,在ATSMGL作用下,θmθt快速保持倍数关系且迅速随着θt收敛到0,而在SMGL作用下,θt收敛速度较慢。图3给出导弹加速度的曲线,从图中可看出,在ATSMGL作用下的加速度曲线变化连续光滑且抖振小。从表1可以看出,这两种制导律均能使导弹成功拦截目标。

3.2 自适应饱和积分滑模制导律仿真分析

为了验证所设计的抗饱和制导律式(31)的有效性,对以下2种目标机动进行仿真分析:
情况1:常值机动azt=ayt=2g;
情况2:余弦机动azt=ayt=2cos(2t)g
制导律参数选取σ=0.01,kη1=1.25和kη=0.5。其仿真结果如图4~5所示。表2给出了2种目标机动情况下的脱靶量和拦截时间。
图4 视线倾角和视线偏角曲线

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图5 导弹加速度曲线

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表2可知,针对不同目标运动形式,导弹都能成功拦截。图4给出的是视线倾角θm,θt曲线和视线偏角θmθt曲线,从图中可以看出,视线倾角和视线偏角在较短时间内能够快速收敛到,0。从导弹加速度曲线图5可以看出,针对不同目标机动形式,加速度值被限制在合理的范围内,充分证明了制导律的有效性。

4 结论

针对高速机动飞行器的拦截问题,利用前向制导方法,对拦截高速机动目标的制导问题进行了研究分析,主要结论如下
1) 在设计新型的自适应积分终端滑模面基础上,结合自适应方法设计了自适应积分滑模制导律;
2) 通过引入辅助系统处理输入饱和问题,设计了抗饱和的自适应积分制导律,能够保证系统滑模面为实际有限时间稳定的;
3) 利用李雅普诺夫函数对所设计制导律给出了稳定性证明,并利用数字仿真验证了所设计制导律的有效性。

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Abstract
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(Meng Kezi, Zhou Di. Design of missile guidance law subject to acceleration command constraint[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(9): 1419-1427.)
Based on target-missile relative motion equation in plane, a two-dimensional guidance law subject to acceleration command constraint is designed using command filtered backstepping approach, and the second-order dynamics characteristics of missile autopilot is considered. The guidance system is divided into two sub-systems in the light of stability requirement of the main states. Then the command filtered backstepping approach is used to design the guidance laws for two sub-systems based on the principles of zeroing line-of-sight(LOS) angular rate and letting the relative velocity between missile and target be less than a negative constant, respectively. The command filtered backstepping approach can not only address saturation constraint on acceleration command but also overcome the deficiency of “explosion of terms” in the conventional backstepping method. Finally, the simulations are performed for controlling and non-controlling along LOS in the case of acceleration command saturation and missile autopilot with big lag. The results show that the guidance law has excellent performance for intercepting a highly maneuvering target.
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Du R, Meng K, Zhou D. Design of three-dimensional nonlinear guidance law with bounded acceleration command[J]. Aerospace Science and Technology, 2015, 46(1): 168-175.
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