基于神经网络干扰观测器的终端滑模飞行控制设计

ｎ ｍ 、 其中 ： 输入 ｘ∈Ｒ ｕ∈Ｒｍ 、 ｙ∈Ｒ 分 别 为 系 统 的 状 态 、 ｎ ｎ×ｍ 和输出 ； ｘ） Ｇ（ ｘ） Δ ∈Ｒ 和Δ ∈Ｒ 分别表示 未知 的 ｆ（ 、 建模误差和系统不确定 ； 为适当维数的分 ｘ） Ｇ（ ｘ） ｆ（
假 设 Ｇ（ 是可逆 段光滑有 界 函 数 。 为 不 失 一 般 性 ， ｘ） 的。 为了设 计 终 端 滑 模 控 制 ， 首先令Δ ｘ） ＝０ 和 ｆ（ 定 义 跟 踪 误 差ｅ Ｇ（ ｘ） ＝０ 为 设 计 终 端 滑 模 控 制 器 ， Δ 为： ） ｅ＝ｘ－ｘ ２ ｄ 。 ………………………………… （ 其 中： ｘ ｄ 为 期 望 指 令。 根 据 跟 踪 误 差 设 计 滑 模 面ｓ 为： ） ｓ ＝Ｃ ｅ 。 …………………………………… （ ３ ［ …， 其中 ： Ｃ＝ｄ ｉ ａ ｃ ｃ ｃ ＞０。 ｇ １， ２， ｎ］ 为了讨论方便 ， 定义如下变量 ：
； 修回日期 ：２ 收稿日期 ：２ ０ １ ２ ４ ６ ０ １ ２ ４ ２ －０ －１ －０ －２
１ 问题描述 考虑如下具有不确定的非线性系统 ：
｛
） ） ｘ（ ｔ ＝ｆ（ ｘ） ＋（ Ｇ（ ｘ） ＋Δ Ｇ（ ｘ） ｕ＋Δ ｘ） ｆ（ 。 ） ） ｔ ＝ｘ（ ｔ ｙ（
·
） ………………………………………………… （ １
， 男 ， 河南洛阳人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 研究方向 ： 飞行控制 、 火力控制 。 作者简介 ： 杨立一 （ １ ９ ６ ８ －）
基于神经网络干扰观测器的终端滑模飞行控制设计 ０ １ ２ 年第 ４ 期 杨立一 ： ２
·１ ５ ３·
＾ ＾ｓ ／ 其中 ： ０＜γ＝ａ ｂ＜１， ａ、 ｂ 为 正 奇 数； ｓ Φ ｉ、 Φ 出。
γ γ γ γ Ｔ … ｓ ＝［ ｓ ｓ ｓ １， ２， ｎ］ 。
） ……………………… （ ４
Ｔ …， ］ 。 …………… （ ） ｓ ｓ ｓ ｓ ５ ｜ ｜＝ ［ ｜ ｜， ｜ ｜， ｜ ｜ １ ２ ｎ
＾ （ ｓ ｉ ｎ ｓ Φ ｇ １ １） 熿 燄 ＾ （ ｓ ｉ ｎ ｓ Φ ｇ ２ ２） ＾ 。 ……………… （ （ ） ） ｓ ｉ ｎ ｓ ＝ ６ Φ ｇ ＾ （ ｓ ｉ ｎ ｓ Φ ｇ ｎ ｎ） 燀 燅
０ 引言 为了提高无人机 的 飞 行 控 制 精 度 ， 有必要采用非 线性控制 方 法 来 设 计 无 人 机 鲁 棒 飞 行 控 制 器 。 文 献 ［ ］ 研究了基于多 模 型 方 法 的 全 包 络 鲁 棒 飞 行 控 制 器 １ ］ 而文献 ［ 研究了重构飞行控制系统的滑模自适 设计 ， ２ 研究了基于 Ｂ 应控制律设计 。 文 献 ［ ３］ ａ ｃ ｋ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ ｐ ｐ ｇ方 ］ 法的鲁棒飞行控制方法 ， 而文献 ［ 基于神经网络研究 ４ 了战机鲁棒飞行控制方案 。 由于干扰观测器对干扰的 逼近能力 ， 基于干扰 观 测 器 的 非 线 性 系 统 控 制 及 其 飞 行控制在现代控制 领 域 得 到 了 大 量 研 究 。 文 献 ［ 研 ５］ 究了基于干扰观测器的动态逆飞行控制方法 。 另一方面 ， 由于具有强鲁棒控制能力 ， 使滑模控制 （ ， 方法在飞行控制器设 Ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ Ｍ ｏ ｄ ｅ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ＭＣ） ｇ ［ ６］ 。 但传统的滑模控制存在颤 计中得到了一定的应用 振， 且不能保证状 态 在 有 限 时 间 内 收 敛 。 为 了 克 服 这 一问 题 ， 快速终端滑模控制（ Ｆ ａ ｓ ｔ Ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ａ ｌ Ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ， 被 提 出， 并得到了大量的研 Ｍ ｏ ｄ ｅ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｆ Ｔ Ｓ ＭＣ） ］ 究 。 文献 ［ 研究了 基 于 自 适 应 模 糊 快 速 终 端 滑 模 控 ７ 制的导弹自动驾驶 仪 设 计 技 术 。 但 对 无 人 机 来 说 ， 终 端滑模控制研究结果还比较少 。 为了保证不确定 非 线 性 系 统 的 控 制 性 能 ， 本文利 用神经网络设计干扰 观 测 器 逼 近 系 统 的 不 确 定 ， 并基 于干扰观测器的输出设计了终端滑模控制方法 。 最后 将所设计的基于神经网络干扰观测器的终端滑模方法 应用于无人机鲁棒飞 行 控 制 ， 并通过仿真验证其有效 性。
第 ４期（ 总第 １ ７ ３期） ２ ０ １ ２年８月
机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥ ＣＨＡＮ Ｉ Ｃ Ａ Ｌ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ ＮＧ ＆ ＡＵＴ ＯＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ
Ｎ ｏ ． ４ Ａ ｕ ． ｇ
（ ） 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ４ １ ３ ２ ０ １ ２ ０ ４ １ ５ ２ ３ －６ －０ －０
） ， 对不考虑干扰的系统 （ 滑模面的导数满足 ： １
·
～ ＾， 则： Ｗ ＝Ｗ ＊ －Ｗ
＾） ＾ （ ） ｄ－ｄ ｘ Ｗ ＝Ｗ Ｔ ｘ） ＋ １ ６ ｜ ε 。 …………… （ ξ（ 为了设计干扰观测器 ， 考虑如下形式的系统 ：
～ · ＾ ）。 ………………… （ ） ｈ（ ｘ Ｗ １ ７ Υ＝－Π Λ３ Υ＋ ｜ 其中 ： 的 状 态， 设 计 参 数 Π＝ １ ７） Υ 为辅助设计系统（
基于神经网络干扰观测器的终端滑模飞行控制设计
杨立一
（ ） 中国航空工业洛阳电光设备研究所 ， 河南 洛阳 ４ ７ １ ０ ０ ９ 摘要 ： 针对具有不确定的非线性多输入多输出系统 ， 利用径向基神经网络设计非线性干扰观测器 ， 并基 于 所 设计的干扰观测器提出了终端滑模控制方法 ， 同时应用于六自由度无人机的鲁棒飞行控制器设计 。 仿真 结 果 证明了该控制方案的有效性和鲁棒性 。 关键词 ： 无人机 ； 神经网络 ； 飞行控制 ； 干扰观测器 ； 终端滑模控制 中图分类号 ：Ｖ ２ ７ ９∶Ｔ Ｐ １ ８ ３ 文献标识码 ：Ａ