[论文解读] Missile Acceleration Controller Design using PI and Time-Delay Adaptive Feedback Linearization Methodology

Chang-Hun Lee, Min-Guk Seo+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2012

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出一种新型弹道导弹加速度控制器，采用反馈线性化与时滞自适应律及PI控制相结合的级联结构，以解决非最小相位特性与模型不确定性问题。通过将导弹系统近似为最小相位系统并引入自适应补偿，该方法在6自由度非线性仿真中实现了鲁棒的加速度跟踪与更优的稳定性。

ABSTRACT

A straight forward application of feedback linearization to the missile autopilot design for acceleration control may be limited due to the nonminimum characteristics and the model uncertainties. As a remedy, this paper presents a cascade structure of an acceleration controller based on approximate feedback linearization methodology with a time-delay adaptation scheme. The inner loop controller is constructed by applying feedback linearization to the approximate system which is a minimum phase system and provides the desired acceleration signal caused by the angle-of-attack. This controller is augmented by the time-delay adaptive law and the outer loop PI (proportional-integral) controller in order to adaptively compensate for feedback linearization error because of model uncertainty and in order to track the desired acceleration signal. The performance of the proposed method is examined through numerical simulations. Moreover, the proposed controller is tested by using an intercept scenario in 6DOF nonlinear simulations.

研究动机与目标

• 解决标准反馈线性化在导弹自动驾驶仪中因非最小相位特性与模型不确定性导致的局限性。
• 为在不确定动力学下运行的战术导弹开发一种鲁棒的加速度控制策略。
• 集成自适应补偿机制，以减小系统不确定性引起的反馈线性化误差。
• 确保在高保真非线性飞行环境中对期望加速度指令的精确跟踪。
• 通过数值仿真与6DOF非线性拦截场景验证性能。

提出的方法

• 应用近似反馈线性化，将原始非最小相位导弹动力学转换为最小相位系统，以支持控制器设计。
• 基于近似系统的反馈线性化设计内环控制器，以生成期望的迎角指令。
• 引入时滞自适应律，以估计并补偿因模型不确定性引起的反馈线性化误差。
• 实施外环PI控制器，以跟踪期望的加速度参考信号并改善瞬态响应。
• 构建级联控制架构，其中PI控制器驱动内环线性化系统，从而提高整体跟踪精度。
• 利用时滞估计技术，估计未建模动力学与外部扰动，而无需显式系统辨识。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在存在显著模型不确定性的非最小相位导弹系统中有效应用反馈线性化？
• RQ2 何种自适应机制可实现实时、鲁棒地补偿反馈线性化误差？
• RQ3 PI与时滞自适应控制的集成如何提升加速度跟踪性能？
• RQ4 所提控制器在高保真6DOF非线性拦截仿真中的表现如何？
• RQ5 在不确定或变化的飞行条件下，该方法能否保持稳定性和准确性？

主要发现

• 所提控制器通过将非最小相位导弹动力学近似为最小相位系统，成功实现了稳定控制。
• 时滞自适应律有效估计并补偿了由模型不确定性引起的反馈线性化误差。
• 级联PI与自适应控制结构相比标准反馈线性化，显著提升了加速度跟踪精度。
• 数值仿真证实了控制器对参数不确定性与外部扰动的鲁棒性。
• 在6DOF非线性仿真中，控制器实现了精确的拦截性能，显著减小了脱靶量并保持了稳定的飞行动力学。
• 该方法展现出更优的瞬态响应与稳态精度，验证了其在真实作战场景中的有效性。