非线性模型预测控制的研究进展

近年来,模型预测控制（Model predictive control,MPC）的理论和技术得到了长足发展,随着线性系统模型预测控制的大量成功应用,基于非线性模型的预测控制简称非线性预测控制（NMPC）引起了广泛关注,并取得了丰富的研究成果。文章基于非线性模型预测控制的基本原理,对目前该领域的热点问题和取得的成果进行了综述,指出了研究不确定系统和时滞系统的非线性模型预测控制对进一步发展预测控制理论和拓宽其应用范围的意义。     

基于模型预测控制的非线性飞行控制系统研究

应用泰勒级数展开方法设计了飞行器六自由度非线性模型预测控制器.通过对控制向量和输出向量的有限泰勒级数展开,确定闭环形式的控制输入.仿真结果表明:该方法能够适应控制项不完全或缺少控制项的病态情况,适当选择控制器的泰勒展开阶数可得到最优的控制结果,所设计的模型预测控制器具有很好的跟踪效果.     

基于非线性模型预测控制的火箭垂直回收姿态控制方法

针对火箭垂直回收着陆段强扰动、强参数不确定性、箭体姿态动力学高动态变化的飞行特性,提出了一种基于非线性模型预测控制的火箭垂直回收姿态控制方法。首先,基于四元数构建姿态控制数学模型;然后,在非线性模型预测控制框架下求解控制指令;同时,引入反馈校正机制与变时域策略以提升控制精度,进一步利用ESO观测扰动。仿真结果表明,控制器响应速度快、跟踪精度高,观测器能够有效观测并补偿扰动,具有较强的扰动鲁棒性。     

电机系统模型预测控制研究综述

近年来,模型预测控制(MPC)的理论和技术得到了长足发展,应用前景广阔。介绍了MPC的基本原理;简要对比分析了国内外电机系统MPC技术的研究概况。研究了有限控制集模型预测控制(FCSMPC)应用于电机驱动系统的控制方案。总结了FCSMPC关于价值函数设计、计算量降低、矢量作用个数以及鲁棒性提高等方面的研究思路。展望了未来FCSMPC技术需要进一步深入和拓展的研究方向。     

基于SVM阶逆系统方法的非线性预测控制

针对一类未知非线性大时延系统,利用SVM特有的表达任意非线性映射能力,辨识得到非线性系统的α阶逆模型,然后将其串在原系统前组成SVMα阶伪线性复合系统。以此复合系统为被控对象,用预测控制方法实现对其有效控制。该方法不仅将非线性系统简化成伪线性系统,而且具有良好的控制效果,控制器设计简单。     

基于SVMα逆系统方法的非线性预测控制

针对一类未知非线性大时延系统,利用SVM特有的表达任意非线性映射能力,辨识得到非线性系统的α阶逆模型,然后将其串在原系统前组成SVMα阶伪线性复合系统.以此复合系统为被控对象,用预测控制方法实现对其有效控制.该方法不仅将非线性系统简化成伪线性系统,而且具有良好的控制效果,控制器设计简单.     

涡轴发动机组合模型非线性预测控制

针对涡轴发动机,为了更好的满足控制系统的实时性要求和提高控制性能,建立了数值稳态非线性模型和ARX动态线性模型相串联的组合模型,并将其作为预测模型,设计了非线性预测控制器。由于优化求解控制器时避免了非线性规划问题,控制系统的实时性得以保证。仿真结果表明,当旋翼负载变化时,功率涡轮转速收敛速度快,稳态精度高,超调量小。     

基于非线性模型预测的航空发动机性能寻优控制

提出一种基于非线性模型预测的航空发动机性能寻优控制方法,以提升性能寻优控制的响应速度。基于风扇进口温度插值的复合推进系统动态模型建模方法建立全包线机载预测模型,以实时估计发动机性能参数及有限时域内的未来输出;基于非线性模型预测控制方法,将最大推力模式、最小油耗模式、最低涡轮温度模式3种性能寻优控制模式转化为实时动态性能寻优问题,并设计相应实时控制的性能指标,提升发动机响应速度。仿真结果表明:相比于传统方法,所提出方法建立的机载模型在3种性能寻优控制模式下有较好的控制效果且响应速度提升0.5～5 s,在高空巡航工作点,最大推力模式下推力提高19.8%,最小耗油模式下耗油率下降3.12%,最低涡轮前温度模式下涡轮前温度下降17 K,验证了控制方法的有效性。      

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制（ANMPC）算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法（RLS）进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX（auto re-gressive with external input）并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化（SQP）算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明：当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID（比例-积分-控制）控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.     

基于非线性模型预测控制的倾转旋翼机过渡控制

提出一种基于降阶模型和光滑切换控制的非线性模型预测控制用于倾转旋翼机过渡机动。建立了倾转旋翼机的仿真模型和降阶的预测模型。在模型预测算法框架内采用降阶模型预测飞行器的后继状态,并结合速度和高度的光滑切换控制和分段短舱角速率控制策略推导了适用于倾转过渡的指令跟踪目标函数,在约束中考虑操纵行程、俯仰角速率和俯仰角限制。通过倾转走廊内的非动态倾转和动态倾转飞行仿真,分别验证该过渡控制对姿态、速率指令跟踪和动态倾转过渡的表现。结果表明:飞行器在不同短舱角的固有特性差异对控制器的跟踪性能影响小。在动态倾转飞行中,控制器辅以短舱控制策略让飞行器以较小的高度和光滑的俯仰姿态变化完成不同短舱速率的过渡过程,同时速度跟踪和横、航向姿态保持效果优。      

反馈线性化及其在飞控系统中的应用

反馈线性化方法是一种有效的解决非线性系统控制的方法。而未来新一代战机控制系统需要适应超机动作战的非线性控制,非线性控制系统是必然要采用的。文中先简要介绍了反馈线性化理论,然后介绍了反馈线性化方法在飞控系统中的具体应用,最后以某型号先进战斗机为仿真算例进行了仿真,仿真结果表明,基于反馈线性化方法设计的飞控系统是可行的、有效的。     

采用非线性系统扩展线性化方法设计飞控系统

利用非线性系统的扩展线性化方法设计具有大迎角的非线性飞行控制系统。在系统的静态平衡点族上进行线化及调节器设计并直接积分得到非线性控制律,同时利用等效系统法验证飞行品质。整个设计过程较简便,控制律便于实现,飞机的失速迎角有较大提高,飞行品质也是令人满意的。     

输入受限下流体网络系统控制器设计

由于控制的目标是流体的流量,流体网络是一个高阶的非线性系统。以往这方面的工作都是基于多变量线性模型,文中的设计是基于非线性模型。通过引入电路中的图论理论,建立了流体网络控制系统的非线性模型。基于反输入饱和技术,提出了一种反馈线性化的设计方法。综合运用微分包含、控制原理,得到了所设计系统渐近稳定的结论。     

基于动态逆-滑模的高速飞行器控制器设计

吸气式高超声速飞行器巡航状态下飞行环境复杂,建模时存在非线性以及参数摄动.基于小扰动假设的传统经典控制理论难以适应当前任务对鲁棒性的要求,对此提出了一种非线性动态逆-滑模控制律改进方法.通过对吸气式高超声速飞行器模型精确反馈线性化得到解耦形式的线性方程,为速度和高度设计出动态逆控制律来抵消非线性特性,在动态逆的基础上采用滑模变结构来补偿参数摄动带来的误差.仿真结果表明,所设计的控制方法具有良好的动态性能及鲁棒性.     

一种非线性末制导系统模型的精确线性化

针对未来高机动目标的拦截 ,运用非线性系统几何理论中的精确线性化方法 ,设计了一种空空导弹非线性末制导系统加速度指令。假设目标做逃逸机动 ,弹体 -自动驾驶仪响应用一个二阶环节描述 ,建立了导弹目标三维相对运动方程。根据终端约束直接选取系统输出阵 ,经动态反馈线性化 ,将非线性系统模型转化为线性方程 ,求得了目标任意机动时的非线性末制导系统的加速度指令。以纵向平面为例进行了仿真计算 ,结果表明该方法是行之有效的 ,得到的解可以用来改进导弹大离轴发射角时的进攻能力。     

飞行轨迹指令综合跟踪控制器设计

运用多重尺度奇异摄动理论,结合动态逆解耦理论和动态平衡点邻区域优化线性化系统的优化解耦控制律理论,研究了战术任务综合飞行管理系统的综合飞行轨迹指令跟踪控制器系统化设计方法。对F-15飞机,设计了综合飞行轨迹跟踪控制器。数字仿真结果表明,设计的跟踪控制器能够控制飞机精确跟踪不同时标集的飞行指令。     

基于ADAMS风洞柔壁喷管动力学仿真分析

基于刚柔耦合动力学理论,联合ADAMS和PATRAN/NASTRAN软件,对风洞柔壁喷管进行了动力学仿真,同时运用NASTRAN软件有限元分析了柔壁部件的非线性变形。比较两种计算结果发现,忽略柔壁变形的非线性,动力学仿真会存在较大误差。为此,采用分段线性化的方法,计入柔壁的非线性变形,改进柔壁喷管的动力学仿真模型。结果表明：改进后的动力学仿真准确度较高,可应用于柔壁喷管运动控制设计。最后,进一步分析了推杆驱动位移对柔壁结构强度的影响关系,为合理控制推杆驱动,确保柔壁无损伤提供必要的理论依据。     

基于多指标非线性控制的永磁同步电动机转速控制

应用精确线性化方法研究了永磁同步电动机的非线性控制问题.根据精确线性化理论,设计了永磁同步电动机状态反馈线性化控制器和相对阶为1的多指标输入输出反馈线性化控制器.多指标非线性控制器选择全状态量线性组合形式为输出函数,根据系统特征根配置方法,整定了输出函数中各状态量的反馈系数.比较2种控制器仿真结果发现,多指标非线性控制器可以实现对电动机转速的有效控制,且控制器结构简单,设计方便,动静态性能良好.     

基于神经网络气动NMPC的尾座式VTOL无人机轨迹跟踪控制

针对尾座式垂直起降（VTOL）无人机（UAV）在全飞行包线下的轨迹跟踪问题;提出了一种基于神经网络气动预测模型的非线性模型预测控制（NMPC）的轨迹跟踪控制器。所设计的NMPC的气动模型只保留了一个非线性气动系数;以降低优化问题复杂度。神经网络气动模型的辨识过程如下:首先;使用无气动预测模型的NMPC跟踪预设参考圆形轨迹并保持协调飞行;收集在这个过程中的飞行数据并训练神经网络气动模型。随后;依据模型准确度与复杂度2个关键指标;从众多训练出的模型中筛选出帕累托前沿模型组进行轨迹跟踪并评估。仿真实验结果表明;相比其他参数结构模型;提出的神经网络气动NMPC能够有效跟踪预设参考圆形轨迹;大幅增加了轨迹跟踪的准确度并具备实时性;有望进一步部署在实机上。     

具有多输入和扰动作用的非线性系统的前馈/反馈线性化

研究了具有多输入和扰动作用的非线性系统的线性化问题。对这类非线性系统,利用非线性前馈和反馈的方法,对状态空间坐标和控制输入空间坐标的变换,从而获得与之等价的可控准线性系统:z=Az+Bv+ρ(z)d。讨论了这类非线性系统前馈/反馈线性化的具体步骤,并给出了一个算例。