کنترل تطبیقی سامانه‌های دفاعی موشکی در فضای سه‌بعدی با استفاده از کنترل لغزشی پیوسته مرتبه بالا برای مقابله با تهدیدات متحرک

سوری, محمدمهدی; ساداتی, سید حسین

doi:10.22034/jtae.2026.10.1.3

کنترل تطبیقی سامانه‌های دفاعی موشکی در فضای سه‌بعدی با استفاده از کنترل لغزشی پیوسته مرتبه بالا برای مقابله با تهدیدات متحرک

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

محمدمهدی سوری ¹

سید حسین ساداتی ²

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

² دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

10.22034/jtae.2026.10.1.3

چکیده

در این مقاله، یک استراتژی نوآورانه برای هدایت و کنترل وسیله پروازی درگیر در رهگیری هدف با استفاده از کنترل‌کننده لغزشی پیوسته مرتبه بالا تطبیقی (HOSMC) برای یک سیستم سه‌بعدی معرفی می‌شود. این رویکرد با یکپارچگی زیرسیستم‌های هدایت و کنترل، دقت و عملکرد سیستم را بهینه کرده و هزینه‌های طراحی را کاهش می‌دهد. در این مقاله، سه نوع کنترل‌کننده لغزشی مرتبه بالا معرفی می‌شود: شبه‌پیوسته، پیوسته و پیوسته تطبیقی پیشرفته، که هرکدام برای حل چالش‌های خاص در رهگیری هدف طراحی شده‌اند. نوآوری اصلی و کلیدی در کنترل‌کننده پیوسته تطبیقی پیشرفته است که دو پارامتر بحرانی را به‌طور دینامیک و در زمان واقعی تنظیم می‌کند. این ویژگی به سیستم اجازه می‌دهد تا با شرایط متغیر محیطی و رفتارهای هدف پویا تطبیق یابد. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده نشان می‌دهند که کنترل‌کننده پیشنهادی نسبت به کنترل‌کننده‌های PID عملکرد بهتری دارد و موجب افزایش برد موشک و کاهش زمان برخورد می‌شود. همچنین، این رویکرد با بهینه‌سازی مسیر، بهره‌وری انرژی و کاهش مصرف سوخت، موفقیت مأموریت را ارتقا می‌دهد. نتایج شبیه‌سازی به‌طور مؤثری توانایی کنترل‌کننده پیشنهادی را در برابر اغتشاشات خارجی و شرایط متغیر نشان می‌دهد. این مقاله اهمیت این روش را در سیستم‌های هوایی نظامی و غیرنظامی که در آن‌ها دقت، قابلیت تطبیق و قابلیت اطمینان از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، برجسته می‌کند. این روش می‌تواند به‌طور گسترده در مأموریت‌های مختلف دفاع هوایی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

کنترل تطبیقی

کنترل لغزشی پیوسته

تهدیدات متحرک

فضای سه بعدی

موضوعات

مکانیک پرواز/ناوبری/کنترل/...

عنوان مقاله English

Adaptive control of missile defense systems in three-dimensional space using higher-order continuous sliding mode control to counter moving threats.

نویسندگان English

mohammad mahdi soori ¹

seyed hosein Sadati ²

¹ Mechanical Engineerig Department K. N, Toosi University of Technology. Tehran

² Mechanical Engineering Department, K. N. Toosi University of Technology, Tehran

چکیده English

In this paper, an innovative strategy for guidance and control of a flying vehicle involved in target interception is proposed, utilizing an Adaptive Higher-Order Continuous Sliding Mode Controller (HOSMC) for a three-dimensional system. This approach optimizes the system’s accuracy and performance through the integration of the guidance and control subsystems, while also reducing design costs. The paper introduces three types of higher-order sliding mode controllers: quasi-continuous,(QSMC) continuous(HOSMC) , and advanced adaptive continuous (ACHOSMC), each designed to address specific challenges in target interception. The key innovation of the proposed method lies in the advanced adaptive continuous controller, which dynamically adjusts two critical parameters in real-time. This ability allows the system to adapt to changing environmental conditions and dynamic target behaviors. Simulations demonstrate that the proposed controller outperforms traditional PID controllers, leading to increased missile range and reduced interception time. Additionally, the method enhances mission success by optimizing the missile trajectory, improving energy efficiency, and reducing fuel consumption. The simulation results effectively showcase the proposed controller’s robustness against external disturbances and varying conditions. This paper highlights the significance of this method in both military and civilian air systems, where precision, adaptability, and reliability are vital. The proposed controller has great potential for wide application in various air defense missions, particularly those involving dynamic, high-speed targets, where precision and rapid response are critical.

کلیدواژه‌ها English

Adaptive control

Continuous sliding mode

Moving threats

Three-dimensional space

[1] P. Zarchan, Tactical and Strategic Missile Guidance, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2012.

[2] N. F. Palumbo, R. A. Blauwkamp, and J. M. Lloyd, "Basic principles of homing guidance," Johns Hopkins APL Technical Digest, vol. 29, no. 1, pp. 25-41, 2010.

[3] N. Harl and S. Balakrishnan, "Reentry terminal guidance through sliding mode control," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 33, no. 1, pp. 186-199, 2010.

[4] X. H. Wang, C. P. Tan, and L. P. Cheng, "Impact time and angle constrained integrated guidance and control with application to salvo attack," Asian Journal of Control, vol. 22, no. 3, pp. 1211-1220, 2020, https://doi.org/10.1002/asjc.1991.

[5] J. Tian, N. Xiong, S. Zhang, H. Yang, and Z. Jiang, "Integrated guidance and control for missile with narrow field-of-view strapdown seeker," ISA Transactions, vol. 106, pp. 124-137, 2020.

[6] A. Sinha, S. R. Kumar, and D. Mukherjee, "Integrated guidance and control for dual control interceptors under impact time constraint," in AIAA Scitech 2021 Forum, Art. no. 1463, 2021, https://doi.org/10.1016/j.isatra.2020.06.012.

[7] J. Guo, Q. Peng, and Z. Guo, "SMC-based integrated guidance and control for beam riding missiles with limited LBPU," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 57, no. 5, pp. 2969-2978, 2021.

[8] B. Zhao, Z. Feng, and J. Guo, "Integral barrier Lyapunov functions-based integrated guidance and control design for strap-down missile with field-of-view constraint," Transactions of the Institute of Measurement and Control, vol. 43, no. 6, pp. 1464-1477, 2021, https://doi.org/10.1177/014233122098132.

[9] Z. Li, Q. Dong, X. Zhang, H. Zhang, and F. Zhang, "Field-to-view constrained integrated guidance and control for hypersonic homing missiles intercepting supersonic maneuvering targets," Aerospace, vol. 9, no. 11, 2022, Art. no. 640, https://doi.org/10.3390/aerospace9110640.

[10] Z. Fu, K. Zhang, and S. Yang, "Research on three‐dimensional integrated guidance and control design with multiple constraints," International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2022, no. 1,2022, Art. no. 6296770, https://doi.org/10.1155/2022/6296770.

[11] H. Zhou and X. Zhao, "Robust integrated guidance and control design for angle penetration attack of multimissiles," International Journal of Aerospace Engineering, vol. 2022, no. 1, 2022, Art. no. 9391236, https://doi.org/10.1155/2022/9391236.

[12] X. Liang, B. Xu, K. Jia, and X. Liu, "Adaptive NN control of integrated guidance and control systems based on disturbance observer," Journal of the Franklin Institute, vol. 360, no. 1, pp. 65-86, 2023.

[13] Z. Li, X. Zhang, H. Zhang, and F. Zhang, "Three-dimensional approximate cooperative integrated guidance and control with fixed-impact time and azimuth constraints," Aerospace Science and Technology, vol. 142, 2023, Art. no. 108617, https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108617.

[14] Y. Dong, Z. Xu, X. Wang, Y. Zheng, and M. Hou, "Research on the integrated design of missile guidance control considering the angle of attack constraint," Academic Journal of Engineering and Technology Science, vol. 6, no. 2, pp. 7-16, 2023.

[15] X. Tang, J. Yu, X. Dong, and Z. Ren, "Integrated guidance and control with impact angle and general field-of-view constraints," Aerospace Science and Technology, vol. 144, 2024, Art. no. 108809, https://doi.org/10.1016/j.ast.2023.108809.

[16] J. Guo, Y. Zhou, and M. Zhou, "Adaptive control law based integrated guidance and control design for missile with the radome error compensation," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 238, no. 4, pp. 361-371, 2024, https://doi.org/10.1177/0954410023122407.

[17] H. Qian and T. Li, "Integrated guidance and control for missiles with three-dimensional impact angle constrained," International Journal of Innovative Computing, Information and Control, vol. 17, no. 2, pp. 581-593, 2021.

[18] M. Cross, Missile interceptor integrated guidance and control: Single-loop higher-order sliding mode approach, The University of Alabama in Huntsville, 2020.