一种两自由度飞行机械臂系统的设计与实现

提出了一种基于欧拉-拉格朗日方法的飞行机械臂系统模型,在机械臂缓慢运动的合理假设下,模型不仅能有效描述实际系统,同时模型表达得到了精简。在此基础上进行控制器设计,首先使用输出变换将系统反馈线性化,并将内外环动态分离,基于此分别设计外环滑模控制器和内环比例-积分-微分（PID）控制器。该控制器在仿真实验中能有效抑制机械臂带来的扰动且镇定和轨迹跟踪性能明显优于经典的串级比例-积分-微分控制器。结果表明本文提出的建模和控制方法能够有效补偿机械臂的已建模扰动,并能充分抑制机械臂摆动产生的未建模扰动,且控制器计算复杂度适中,能够满足实际应用需求。     

考虑桨叶陀螺效应的四旋翼定点飞行动态面控制

针对大型四旋翼桨叶陀螺效应对其运动影响较大的问题,设计了一种动态面控制方法。引入了桨叶陀螺效应对四旋翼不利影响的抵消项,保留传统反馈线性化方法中被抵消的非线性项;基于反推设计的动态面控制律较PID控制方法能实现对模型更为精准的控制,克服未建模动态造成的控制扰动;引入一阶低通滤波器简化控制器设计。仿真结果表明,DSC算法到达平衡点后能迅速收敛,闭环系统稳定性好,克服了经典PID控制算法参数较多、提高快速性后会导致高频振荡等缺点。     

微小型直升机非线性鲁棒控制器设计

针对含有未建模动态的微小型直升机非线性模型,设计了基于反步法和自适应模糊系统的自主飞行控制器.该控制器包含两个回路:航迹控制外回路和姿态控制内回路.外回路通过旋转矩阵实现对内回路姿态的控制,而非传统的欧拉角或姿态四元数.控制器采用自适应Takagi-Sugeno(TS)模糊系统在线补偿系统未建模动态的影响,并利用反步法完成控制器综合.所设计的算法在确保整个控制系统稳定性的同时又可保证系统能够有效应对未建模动态的影响.系统仿真结果表明,在盘旋上升飞行模态下控制系统能够快速准确地跟踪预设轨迹,并且具有良好的鲁棒性能.     

自适应PID控制系统仿真

针对常规PID控制器不能满足非线性、时变系统的控制要求的问题,本文将自适应控制思想与PID控制器相结合,合成一种自适应PID控制解决方案,并设计了一个自适应PID控制器。该方案运用专家控制策略,自动整定PID参数。仿真结论表明,在系统参数不确定或者发生变化时,该控制器的控制效果明显优于常规PID控制器。     

基于ESO的六旋翼无人机反演滑模控制器设计

针对六旋翼无人机建模过程中存在非建模动态、飞行过程中存在不确定外界干扰的轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于扩张状态观测器的反演滑模控制器。首先,利用扩张状态观测器(ESO)进行扰动项的实时估计和系统状态的在线观测;然后,结合反演和滑模控制理论方法设计控制器,以消除系统不确定性和外界干扰带来的影响,并基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统跟踪误差最终有界收敛;最后,通过仿真试验和飞行试验验证了所设计飞行控制算法的有效性。研究结果表明,存在不确定外界干扰的情况下,所设计的方法依然可以实现预定轨迹的稳定跟踪,有效提高了其抗干扰能力。     

基于内模控制的多输入多输出高阶振动系统

常规的比例-积分-微分(PID)控制器一般用于单输入单输出系统。对于具有多个输入和多个输出且相互之间具有较强耦合作用的高阶多变量系统,PID控制器的设计常难以实现。针对高阶柔性结构振动控制问题,提出如下PID控制策略：首先在某一频段内对频响函数进行拟合降阶,建立过程模型,然后采用内模控制方法和麦克劳林展开式设计多输入多输出振动系统PID控制器。以4层刚架进行建模仿真计算,结果表明,通过本文方法设计的PID控制器,可以在避免未控模态影响的前提下,使外部干扰得到有效抑制,得到比较理想的控制效果。     

航空发动机的智能神经网络自适应控制研究

针对结构复杂、模型不确定、强非线性的航空发动机对象,提出一种综合模糊推理、神经网络自适应和PID简单控制各自优点的控制方案.在改进模糊PID控制器的基础上,进行了新型智能型神经网络控制器的设计,并提出离线混沌蚁群优化与在线误差反传调整相结合的优化方法.应用具有良好泛化能力的最小二乘支持向量机进行系统辨识,对某型航空发动机进行了设计点处的线性和非线性模型控制仿真.结果表明:控制系统具有满意的动、静态性能和较好的鲁棒性,验证了该方案的可行性和有效性.      

基于μ综合的宽包线冲压发动机多变量鲁棒稳定控制研究

为避免控制律设计结果出现较大的保守性,考虑冲压发动机的宽包线、非线性、不确定性和未建模动态特性等问题,研究了基于μ综合方法的发动机多变量控制算法设计。建立了一种发动机模型,给出了标称模型的选择和权函数设置与选取,用D-K迭代获得了μ综合控制器。数值仿真验证结果表明:基于μ综合设计的多变量鲁棒控制器在发动机宽包线范围内均满足控制性能指标要求,验证了控制算法的稳定性和鲁棒性,实现了单个控制器控制多个发动机状态点的功能,避免传统控制模式中复杂的动态调参过程。     

基于反演设计的无人水下航行器自适应二阶滑模控制

针对存在参数不确定性和结构不确定性的无人水下航行器,利用反演设计方法设计了无人水下航行器的控制器,并利用自适应控制方法在线估计参数变化率。同时,结合滑模控制克服系统中的未建模动态特性；比较了传统滑模控制与二阶滑模控制的区别,充分体现二阶滑模控制对传统滑模控制中颤振的削弱作用；仿真验证了设将反演设计与自适应控制、滑模变结构控制相结合,.x性的系统,且非线性参数不确定,在这种情况下需要.x 计方法的有效性和正确性。     

基于距离的无人机编队路径跟踪控制

针对复杂通信环境下无人机编队跟踪控制问题，提出了基于距离的无人机编队路径跟踪容错控制方法。基于刚性图编队控制框架，引入距离误差，实现编队控制，并针对无人机编队生成的收敛速度问题，引入预设性能技术，以指定跟踪性能生成无人机编队。针对无人机执行器可能出现的故障，利用自适应滑模容错控制技术，实现具有容错性能的编队控制。考虑无人机在飞行环境中遇到的不确定扰动和模型自身存在的未建模动态，引入神经网络控制器，提高控制算法的抗干扰能力。最后，基于Lyapunov理论证明了所设计编队控制系统的稳定性，仿真验证了控制方法的有效性。     

无轴承异步电机的自抗扰控制策略

针对无轴承异步电机(BLIM)的逆系统解耦控制性能受负载和参数变化影响的问题,在转子磁链定向逆系统解耦控制的基础上,采用自抗扰控制器(ADRC)替换经典的PID控制器,将BLIM模型中的交叉耦合项、本体参数变化和负载视为“扰动”,统一用ADRC的扩张状态观测器(ESO)估测,非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)进行补偿。仿真结果表明:采用了ADRC,系统具有较好的动态解耦控制性能；同时,对电机参数和负载变化具有更好的鲁棒性。     

基于扩张状态观测器的高空台进气环境模拟控制技术研究

针对航空发动机高空台推力瞬变等过渡态试验对进气环境模拟控制系统所提出的强抗扰性、强鲁棒性的迫切需求,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）的高空台进气环境模拟主动抗扰控制技术方法。首先分析了现有高空台过渡态环境模拟的技术特点和高品质控制指标难于实现的原因;其次设计线性自抗扰控制器（LADRC）和一体化并行控制器（IPC）;最后通过仿真对高空台进气环境模拟主动抗扰控制方法进行了验证。结果表明,应用基于扩张状态观测器的主动抗扰控制技术能够大幅提高发动机过渡态试验中进气环境模拟的动态响应速度、控制精度和抗扰动能力。     

A New Hybrid Control Scheme for an Integrated Helicopter and Engine System

A new hybrid control scheme is presented with a robust multiple model fusion control(RMMFC) law for a UH-60 helicopter and an active disturbance rejection control(ADRC) controller for its engines.This scheme is a control design method with every subsystem designed separately but fully considering the couplings between them.With three subspaces with respect to forward flight velocity,a RMMFC is proposed to devise a four-loop reference signal tracing control for the helicopter,which escapes the closed-loop system from unstable state due to the extreme complexity of this integrated nonlinear system.The engines are controlled by the proposed ADRC decoupling controller,which fully takes advantage of a good compensation ability for unmodeled dynamics and extra disturbances,so as to compensate torque disturbance in power turbine speed loop.By simulating a forward acceleration flight task,the RMMFC for the helicopter is validated.It is apparent that the integrated helicopter and engine system(IHES) has much better dynamic performance under the new control scheme.Especially in the switching process,the large transient is significantly weakened,and smooth transition among candidate controllers is achieved.Over the entire simulation task,the droop of power turbine speed with the proposed ADRC controller is significantly slighter than with the conventional PID controller,and the response time of the former is much faster than the latter.By simulating a rapid climb and descent flight task,the results also show the feasibility for the application of the proposed multiple model fusion control.Although there is aggressive power demand in this maneuver,the droop of power turbine speed with an ADRC controller is smaller than using a PID controller.The control performance for helicopter and engine is enhanced by adopting this hybrid control scheme,and simulation results in other envelope state give proofs of robustness for this new scheme.     

五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统设计

在比例-积分-微分(PID)控制的基础上加入扰动补偿环节,设计了五自由度磁悬浮轴承的扰动补偿控制系统.通过对转子运动模型的分析,修正并得到了更为精确的磁悬浮轴承扰动观测器模型.对离散化的扰动观测器进行了稳定性分析和参数整定方法研究,进而使扰动观测器的参数整定过程更为规范与便捷.实验结果表明:在PID控制基础上加入扰动补偿控制,转子受扰自由度的位移波动分别减小了38.7%和67%,转子在20000r/min转速下的轴心运动轨迹波动减小了21%,从而验证了扰动补偿控制相比于PID控制的优越性.      

Optimization Based on Convergence Velocity and Reliability for Hydraulic Servo System

This article presents an optimal hybrid fuzzy proportion integral derivative (HFPID) controller based on combination of proportion integral derivative (PID) and fuzzy controllers, by which the parameters could be evaluated by global optimization either in convergence velocity or in convergence reliability. Focusing on the nonlinear factors of hydraulic servo system, this article takes advantage of PID and fuzzy logic controller integrated with scaling factors to acquire precise tracking performances. To further improve the performances, it provides new developed optimization with rapid convergence to attain reliable approach probability. Focusing on the performance indictors of evolutionary algorithm, this article presents a new technique to predict reliability of the optimization algorithm. Statistics authenticates the effectiveness and robustness of the optimization. Further, many simulation and experimental results indicate that the optimal HFPID could acquire perfect immunity against parametric uncertainties with external disturbance.     

Observer-based control for the platform of a tethered space robot

This paper addresses the attitude control problem of a space tethered robot platform in the presence of unknown external disturbance caused by a connecting elastic tether. The tether-generated unknown disturbance leads to tremendous challenges for attitude control of the platform. In this work, the perturbed attitude dynamics of the platform are derived with a consideration of the libration of the elastic tether, and then with the purpose of compensating the unknown disturbance, major attention is dedicated to develop a nonlinear disturbance observer based on gyros measurements, after which, an adaptive attitude scheme is proposed by combining the disturbance observer with a sliding mode controller. Finally, benefits from the observer based on an adaptive controller are validated by series of numerical simulations.     

基于在线滚动LS-SVR的涡轴发动机混合预测控制

提出了一种串级PID+非线性模型预测控制(NMPC)的混合控制方案,用于涡轴发动机控制系统中。其中:主控制回路采用串级PID控制器以消除静差保证系统稳定;带约束优化的预测控制器则用于实时燃油补偿,以增强发动机系统对直升机功率需求的快速跟随能力。该预测控制器是基于在线预测模型实现,首先在VC环境下设计在线滚动最小二乘支持向量回归机(OSLS-SVR),在线训练高精度、实时性好的内嵌式预测模型,其测试精度可达3‰;而后利用该模型与序列二次规划(SQP)算法完成滚动优化,建立预测控制器;最后,在UH-60A直升机/T700涡轴发动机综合模型仿真环境下,通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了该混合预测控制方案对大扰动具有较强的抑制能力及鲁棒性,从而使直升机获得更好的机动性能。     

Fractional order modeling and control of dissimilar redundant actuating system used in large passenger aircraft

In this paper, a methodology has been developed to address the issue of force fighting and to achieve precise position tracking of control surface driven by two dissimilar actuators. The nonlinear dynamics of both actuators are first approximated as fractional order models. Based on the identified models, three fractional order controllers are proposed for the whole system. Two Fractional Order PID (FOPID) controllers are dedicated to improving transient response and are designed in a position feedback configuration. In order to synchronize the actuator dynamics, a third fractional order PI controller is designed, which feeds the force compensation signal in position feedback loop of both actuators. Nelder-Mead (N-M) optimization technique is employed in order to optimally tune controller parameters based on the proposed performance criteria. To test the proposed controllers according to real flight condition, an external disturbance of higher amplitude that acts as airload is applied directly on the control surface. In addition, a disturbance signal function of system states is applied to check the robustness of proposed controller. Simulation results on nonlinear system model validated the performance of the proposed scheme as compared to optimal PID and high gain PID controllers.     

基于自抗扰控制技术的无人直升机位置控制律设计

针对无人直升机抗风性能不足的问题,将自抗扰控制方法应用于无人直升机位置控制律,该位置控制律在常规内外回路控制架构的基础上,外回路采用非线性反馈,利用扩张状态观测器（ESO）进行动态扰动补偿。此文详细阐述了设计方法和工程应用问题。半物理仿真结果表明,该控制方案具有较强的抗扰动性,位置控制精度得到显著提升。