基于微分对策的非仿射导弹学习滑模制导.pdf
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1、第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:国家自然科学基金(,);北京市自然科学基金()资助课题通讯作者引用格式:高煜欣,刘春生基于微分对策的非仿射导弹学习滑模制导系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于微分对策的非仿射导弹学习滑模制导高煜欣,刘春生(南京航空航天大学自动化学院,江苏 南京 )摘要:针对具有非仿射形式的导弹截机动目标问题,研究了一类基于微分对策的非仿射学习滑模制导方法。首先,构建辅助系统,将制导系统转化为增广控制仿射形式;针对目标未知机动造
2、成的扰动项,设计自适应滑模控制策略,鲁棒匹配扰动部分的同时使系统状态沿着预设滑模面进入滑动模态运动。然后,针对带有非匹配扰动部分的等效滑动模态系统,利用评价网络在线学习最优微分对策控制策略,使系统满足预设性能指标,并通过 方法证明闭环系统有界。最后,仿真结果表明导弹能够成功拦截目标,证明了所提制导律的有效性。关键词:非仿射导弹系统;学习滑模制导;目标未知机动;微分对策中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犇 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犻 犪 犾犵 犪犿犲 犫 犪 狊 犲 犱犾 犲 犪 狉 狀 犻 狀 犵狊 犾 犻 犱 犻 狀 犵犿狅 犱 犲犵 狌 犻 犱 犪 狀 犮 犲犳 狅 狉狀 狅 狀 犪
3、 犳 犳 犻 狀 犲犿 犻 狊 狊 犻 犾 犲狊 狔 狊 狋 犲犿 ,(犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犃狌 狋 狅犿犪 狋 犻 狅 狀,犖犪 狀 犼 犻 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犃犲 狉 狅 狀 犪 狌 狋 犻 犮 狊犪 狀犱犃狊 狋 狉 狅 狀 犪 狌 狋 犻 犮 狊,犖犪 狀 犼 犻 狀犵 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:;引言导弹防御系统作为国防系统的重要组成部分,被广泛研究。制导策略作为其重要的组成部分,不仅影响导弹的运动特性,同时还直接决定导弹控制系统的设计。当前针对制导策略的研究已取得了许多成果,如比例导引法、滑模
4、制导法、反步制导法 等。在制导过程中,由目标机动等因素引起的非理想制导因素广泛存在,直接影响制导精度。因此,研究遭受不确定影响条件下的制导策略具有实际意义。针对制导系统中的不确定因素,一种有效的方式是对其进行估计与重构 。文献 针对部分动态未知的制导系统,结合神经网络逼近未知动态,设计了一类前馈和反馈相结合的复合制导策略,实现机动目标的拦截。针对未知目标机动,文献 利用扩张状态观测器估计目标速度,设计比例导引滑模制导策略,成功拦截机动目标。考虑建模误差与不确定项,文献 使用干扰观测器估计未知因素,并结合反步控制与滑模理论,设计了一类针对探导控一体化系统的制导方法,实现对目标的跟踪。考虑未来战场
5、跨空域、强电子对抗的作战环境,目标机动等非理想制导因第 期高煜欣等:基于微分对策的非仿射导弹学习滑模制导 素往往难以测量与重构,显然上述制导策略无法适用。微分对策是一种研究双方或多方最优控制的理论,在导弹拦截制导问题中得到了广泛应用 ,导弹和目标机动相互独立,将其视为对抗双方,利用偏微分方程组来描述制导策略的变化,一方寻求性能指标最大化,另一方则寻求最小化,研究目标机动最坏情况下的制导策略。文献 针对输入输出受限的导弹拦截系统,提出了一类前馈控制和微分对策相结合的制导策略,保证了成功拦截机动目标的同时满足约束条件。为了处理带有扰动情况下的制导问题,文献 提出了一类有限时域微分对策制导方案,建立
6、时变性能函数并考虑终端约束,保证制导性能;在针对带有防御弹的三方对抗问题中,微分对策制导律可以实现导弹避开防御弹的同时击中目标。上述研究取得了很好的成果,然而无论是文献 的非线性系统,还是 的线性系统均是仿射形式,在实际系统中,非仿射形式普遍存在,因其对控制的非仿射特征使得控制策略的设计变得困难。目前,处理非仿射系统的思路主要分为两类,一类是利用辅助函数或中值定理,将系统转化为仿射形式,从而便于控制器的设计;另一类是直接从原系统分离控制线性项。文献 针对二阶非仿射系统,分离控制线性项,提出一类滑模控制策略。考虑中值定理,文献 将非仿射非线性多智能体系统转化为控制仿射形式,利用努斯鲍姆函数处理未
7、知控制方向。此外,文献 利用模糊技术、自适应技术等实现了非仿射系统的控制。虽然上述成果成功克服了非仿射特性导致的控制策略设计困难问题,然而鲜有考虑系统的最优特性。综上所述,本文提出一类基于微分对策的非仿射导弹学习滑模制导方法,将导弹与目标视为对抗双方,结合控制补偿技术,引入辅助控制输入,分别设计自适应滑模策略鲁棒匹配扰动、微分对策最优控制策略处理非匹配部分,利用评价网络并给出权值更新律,在线学习控制策略,在保证系统实现滑模控制的同时满足滑动模态的最优性能。与传统滑模制导方法相比,本文制导策略不仅可以有效处理非匹配扰动、降低对目标机动信息的依赖,而且可以满足性能指标,有利于工程应用。问题描述考虑
8、如下不确定非仿射非线性系统:狓(狋)犳(狓(狋),狌(狋)犽(狓(狋)(狋)()式中:狓(狋)犚狀为系统可测状态向量;犳(狓(狋),狌(狋)犚狀犚犿犚狀为已知连续且对控制输入狌(狋)犚犿为非仿射形式的系统函数;犽(狓(狋)犚狀狆为已知连续函数;(狋)犚狆为由目标机动导致的系统不确定项。为方便表达,省略时间常数狋。由于系统()的结构表现为控制非仿射形式,使得控制器设计变得困难。因此,引入控制补偿技术 ,构建如下辅助系统:狌(狌)(狌)狏犿()式中:(狌)犚犿为连续已知函数;(狌)犚犿犺为设计的有界非零函数;狏犿犚犺为辅助控制输入。定义增广状态狓狓,狌,则系统式()变为如下增广系统:狓犉(狓)犌(
9、狓)狏犿犓(狓)()式中:犉(狓)犳(狓,狌)(狌);犌(狓)(狌);犓(狓)犽(狓)。假设系统函数犽(狓)有界,即存在常数犽犕满足犽(狓)犽犕。假设定义犌(狓)为犌(狓)的伪逆矩阵,即满足关系犌(狓)(犌(狓)犌(狓)犌(狓),且存在一个常数犌犕使得犌(狓)犌犕。假设系统不确定项有界,假设其界值为未知常数犕,进而假设存在常数犪犕满足条件犌(狓)犓(狓)犪犕。由系统()可以发现犌(狓)犓(狓),即系统未知输入为非匹配形式,通常情况下可分解为如下匹配和非匹配部分:犓(狓)犌(狓)犌(狓)犓(狓)犎(狓)()式中:犎(狓)(犐犌(狓)犌(狓)犓(狓)。本文的目的为设计辅助控制输入狏犿使得系统()的
10、所有信号有界,为实现该目标,控制输入设计为如下形式:狏犿狏犪狏犫()式中:狏犪为非连续滑模控制部分,用于处理未知输入匹配部分并实现滑模控制;狏犫为连续最优控制部分,用于实现存在未知输入非匹配部分下的最优控制。控制器设计 滑模控制器设计本节设计狏犪鲁棒匹配扰动部分,并且使得系统沿着如下积分滑模面进入滑动模态运动:狊犣(狓)犣(狓)狋犘(狓)(犉(狓)犌(狓)狏犫)()式中:犣(狓)犚犿,且其初始值为犣(狓);犘(狓)犣(狓)狓犚犿(犿狀)为设计的滑模参面数满足犘(狓)犌(狓)可逆。为使犘(狓)对未知输入影响最小,受文献 启发,本文设计犘(狓)犌(狓)。滑模面()对时间求导有:狊犘(狓)犌(狓)狏
11、犪犘(狓)犓(狓)()基于系统()和滑模面(),设计如下自适应滑模控制器狏犪:狏犪犪 ()犽犾 ()犽犪犮烅烄烆()式中:犌(狓)犘(狓)狊;犽;犽;犾为设计的常数;犮为自适应律增益。定理针对增广系统(),若设计非连续滑模控制器及自适应律为(),则增广状态将沿着预设的积分滑模面()进入滑动模态运动。证明定义珘犪犪犕犪,并考虑如下 函数:系统工程与电子技术第 卷犔狊狊犮珘犪()将式()求导并代入式()和控制器()可得犔狊狊犮珘犪犪狊犘(狓)犌(狓)狏犪狊犘(狓)犓(狓)珘犪犪狊犘(狓)(犌(狓)犌(狓)犓(狓)犽犾犽(犪犕犪)犽犾犽()显然,犔被保证。则增广系统状态将沿着滑模面()进入滑动模态运
12、动,证明了控制器的有效性。证毕由等效滑模控制原理 可知,为保证狊,有如下等效控制:狏 (犘(狓)犌(狓)犘(狓)犓(狓)()等效控制被抽象的应用于式(),从而实现如下增广等效滑动模态系统:狓犉(狓)犌(狓)狏犫犇(狓)()式中:犇(狓)(犐犌(狓)犌(狓)犓(狓)。显然,结合式()可知,滑模控制狏犪可以有效处理系统未知输入匹配部分。微分对策控制器设计观察式()可以发现,增广等效滑动模态系统仍然存在未知扰动,且为非匹配形式,使得控制器设计变得困难。为有效处理非匹配扰动,首先,考虑如下性能指标:犞狆(狓,狏犫,)犙(狓)狏犫犚狏犫犚()式中:犙(狓);犚和犚为合适维度的正定对称矩阵,定义如下哈密顿
13、函数:犎(狓,狏犫,)狆(狓,狏犫,)犞狓(犉(狓)犌(狓)狏犫犇(狓)()式中:犞狓犞狓。根据极大极小值原理,纳什均衡解存在的必要条件是:犎(狓,狏犫,犞)犎(狓,狏犫,犞)犎(狓,狏犫,犞)()则利用贝尔曼最优原理,可推导微分对策控制策略为犎(狓,狏犫,)狏犫狏犫犚犌(狓)犞狓犎(狓,狏犫,)犚犇(狓)犞狓烅烄烆()则将最优控制式()代入式()有犎(狓,狏犫,犞)狆(狓,狏犫,)犞狓(犉(狓)犌(狓)狏犫犇(狓)()为了能够有效实施微分对策控制策略,设计如下评价网络近似式()的解析解:犞犠 (狓)()式中:犠为神经网络理想权值;为设计的系数矩阵;为神经网络逼近残差。如果定义:(狓)狓狓()
14、则有犞狓犠狓()其中,狓狓。代入式()并结合式()可推导出犎(狓,狏犫,犠)犙(狓)犠犉(狓)犠犕犠犠犕犠()式中:犕犌(狓)犚犌(狓);犕犇(狓)犚犇(狓);残差 的具体形式为 狓(犉(狓)犌(狓)狏犫犇(狓)狓犌(狓)犚犌(狓)狓狓犇(狓)犚犇(狓)狓()利用神经网络输出估计式()解析解,则有犞犠 (狓)犞狓犠烅烄烆()近似控制策略对和哈密顿函数分别为狏犫犚犌(狓)犠犚犇(狓)犠烅烄烆()犎(狓,狏犫,犠)犙(狓)犠犉(狓)犠犕犠犠犕犠()需要设计合理的评价网络更新律使得权值估计值犠逼近理想权值犠,也就是最小化函数犈。在给出权值更新律和定理之前,考虑如下假设和引理。假设理想权值有界犠犕,即
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