一类不确定非仿射非线性系统terminal滑模控制研究及在近空间飞行器中的应用

Non-affine nonlinear systems exist widely in real world, such as near space vehicle. Taking into account that the actual system is often uncertain, how to control the uncertain non-affine nonlinear systems is a challenging subject and it has important theoretical and practical value. Aiming to the uncertain non-affine nonlinear system model which need design tracking controller, the difficulties are to show the input variables in affine form and estimate accurately the unknown disturbance. First, based on on-line taylor expansion or equivalent transformation, a global approximation method is given to solve the problem of the input variables in affine form for non-affine nonlinear systems. Second, the disturbance observer is used to estimate accurately the unknown disturbance in the uncertain non-affine nonlinear system. Third, we improve the integral terminal sliding mode control method to avoid the singularity in the terminal sliding mode controller. So we can use the advantages of finite time in terminal sliding mode. Next, we present a controller design procedure for a class of uncertain non-affine nonlinear system with stable tracking performance. Finally, we use the proposed method to design a trajectory controller for near space vehicle with non-affine nonlinear model, and verify its effectiveness by the three-dimensional simulation.

非仿射非线性系统广泛存在于现实生活中，如近空间飞行器等。考虑到实际系统通常具有不确定性，控制不确定非仿射非线性系统是一项富有挑战性的课题，具有重要的理论意义和应用价值。针对基于模型的不确定非仿射非线性系统跟踪控制器设计，其难点在于如何显性表达控制量以及在线准确地估计未知干扰。本项目为便于控制器设计，采用在线taylor展开及等价变换提出一种适用于全局的近似方法，解决非仿射非线性系统控制量显性表达的难题；利用干扰观测器技术解决在线准确估计系统中的未知干扰的问题；改进积分terminal滑模控制器设计方法，避免其奇异性问题，以便利用terminal滑模有限时间收敛优势；基于以上结果，融合鲁棒自适应控制策略，研究一类不确定非仿射非线性系统跟踪控制器设计方法，使得不确定非仿射非线性系统具有稳定跟踪性能。将研究成果应用于具有非仿射非线性特点的近空间飞行器轨迹控制器设计，并进行三维动画仿真验证。

本项目以非仿射非线性系统为研究对象，开展了适用于全局的仿射非线性近似方法，非线性干扰观测器设计方法、terminal滑模控制器设计步骤及所提理论方法在具有非仿射非线性特点的近空间飞行器轨迹控制器设计应用等研究工作。在仿射非线性近似方法中，提出一种适用于全局的近似过程，并应用鲁棒滑模滤波器成功解决了系统转换过程中的“代数环”问题。在terminal滑模控制研究中，将非线性干扰观测器和非奇异积分terminal滑模相结合基础上给出不确定非仿射非线性系统控制器设计过程，主要贡献为结合PI 滑模面和terminal 滑模面构造二阶滑模面, 使得所设计控制器能够保证跟踪误差收敛于零, 同时又能有效去除滑模抖振；设计了两种改进的terminal滑模面构造方法，通过引入线性部分，加快跟踪误差远离零时的收敛速度，实现快速收敛的任务；构造了基于带有指数函数滑模面的二阶快速terminal滑模面，实现系统始终处于滑模面，避免了传统滑模的抖振问题；基于以上结果，针对具有非仿射非线性特点的近空间飞行器，成功给出了飞行控制器结构，仿真实验验证了表明所提方法能够使得NSV具有稳定跟踪性能。总之，项目组按计划圆满完成了申请书中的各项研究内容，实现预期目标。