不确定高相对阶系统输出反馈控制方法及其应用扩展研究

The integrated guidance and control model usually has high relative degree with not full states available, and may be subjected to uncertainties including unknown inputs or mismatched disturbances and so on. Simultaneously, output feedback controller design for unertain systems with high relative degree is also an open problem in control theory. Therefore, this research will focus on the output feedback control for high relative degree systems with unknown inputs or mismatched disturbances, which is then applied to integrated guidance and control design for air vehicles to complete flight missions. This research is the double wants of theory and practice. For the systems with unknown inputs, not satisfying the minimum phase condition and whose first Markov parameter is not full column rank, one observer is designed to ensure accurate estimations of states and unknown inputs. For systems involving mismatched disturbances and with high relative degree, dynamic gain technique, sliding mode technique and adaptive technique will be combined to ensure the precise estimation and stabilization of system states. During the integrated guidance and control design we also need to consider terminal impact angle constraint, actuator saturation or chattering free and so on. So this research can not only perfect the control theory but also has wider applications.

在制导与控制一体化设计中建立的一体化模型可部分地归结为级联系统，其具有高相对阶且非全状态可用，还会受不确定性如未知输入或不匹配扰动的影响。同时，对不确定高相对阶系统设计输出反馈控制器，也是控制理论中尚未完全解决的问题。因此本项目拟针对含有未知输入或不匹配扰动的高相对阶系统，进行输出反馈控制方法研究，并将理论结果应用和扩展到飞行器系统中，进行制导与控制一体化设计，完成飞行任务，这切合理论与应用双重需求。针对系统含有未知输入情形，所提出的控制方法要既放松对最小相位条件的限制，又不需要系统输出系数矩阵与未知输入系数矩阵的乘积满列秩，且能实现对状态和未知输入的精确估计。针对系统含有不匹配扰动情形，要既适用于高相对阶系统，又避免“计算膨胀”，且能实现对系统的精确估计和镇定。在一体化设计过程中还要考虑落角约束、执行器饱和、消除输入抖振等。因此，本项目不仅具有重大的理论研究价值，还具有巨大的应用价值。

在实际被控系统中，往往只有部分状态是可量测可用的，因此输出反馈控制比状态反馈控制更具有实用价值。输出反馈控制一直是控制领域的一个研究难点，尤其对不确定系统的输出反馈控制更具有挑战性。现有的输出反馈控制方法往往要求系统满足控制匹配条件（即高相对阶）和扰动匹配条件，然而实际中的一些系统，比如，飞行器姿态控制系统、机械臂位置控制系统等很难满足此条件，进而限制了应用范围。因此，有必要深入研究不确定高相对阶系统的输出反馈控制方法。. 本项目针对含有未知输入和含有不匹配扰动的高相对阶系统，分别设计了输出反馈控制器，并将理论结果应用到飞行器系统的制导与控制设计中。本项目提出了基于双滑模观测器串联的输出反馈控制器，用于解决含有未知输入的高相对阶系统的控制问题；提出了基于分步观测器的输出反馈控制器，用于解决含有不匹配扰动的高相对阶系统的控制问题；并将理论结果应用到单枚导弹打击高机动目标以及多枚导弹协同攻击同一目标的实际问题中。. 上述成果已以论文的形式，发表在SCI期刊论文，共计10篇，其中7篇已正式发表，3篇在线发表，并发表会议论文4篇。这些成果都得到了本项目的资助，且全部标注了该项目号。在该项目的资助下，项目组成员参加国内学术会议3次，国际学术会议1次，并做口头报告，邀请专家来校交流2人次。在该项目的资助下，协助培养博士研究生1名，硕士研究生3名。