高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解并分析了多特征点单参数分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析。结合高超声速飞行器大包线飞行特性,求解并分析了双参数分岔,并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面,从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性。为了实现高超声速飞行器的稳定控制,基于非线性动态逆和分阶思想,设计了非线性控制器,并计算了非线性开环闭环系统的全局特征根分布,结合所提出的一种基于连续算法的非线性闭环系统全局性能评估方法,评估并分析得出非线性控制器的有效性和较优的全局性能。最后,对闭环系统进行了时间历程仿真,进一步验证了非线性控制器的有效性。     

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

 针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法.以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的.仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质.     

高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

基于T-S模糊系统的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化控制

 基于T-S模糊系统提出了鲁棒自适应轨迹线性化控制(RATLC)方法。利用T-S模糊系统逼近未知干扰和不确定性因素，并采用Lyapunov方法设计了鲁棒自适应控制律。不论系统状态的维数和用于逼近不确定的模糊系统规则数为多少，整个系统仅有两个参数在线调整。理论分析证明了闭环系统所有信号一致最终有界。应用提出的控制方案设计了空天飞行器(ASV)飞行控制系统，并在高超声速飞行条件下进行了仿真验证，仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性。     

带有执行器约束条件的模糊自适应反步控制

针对高超声速飞行器在飞行控制过程中存在外界干扰以及考虑执行器的动态特性等问题,结合飞行器纵向模型的特点,考虑舵的动态特性,分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于指令滤波器采用Backstepping控制方法的高度控制器。模糊自适应系统用来在线辨识飞行器模型由于气动参数的变化而引起的不确定性。运用Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性,证明了包含跟踪误差在内的所有信号满足半全局一致稳定。最后通过仿真对控制器的控制效果进行验证,得到了较为满意的控制效果。     

基于自适应模糊系统的空天飞行器非线性预测控制

 针对一类多输入多输出非线性不确定系统,提出了基于自适应模糊系统的非线性预测控制方法。控制器由基于模糊系统的非线性预测控制器和鲁棒自适应控制器两个部分组成。根据系统的跟踪误差在线调整模糊系统的权值,使得模糊系统一致逼近被控对象中的非线性函数,通过泰勒展开设计出基于模糊系统的非线性预测控制律,避免了预测控制在线优化带来的繁重的计算负担。鲁棒自适应控制器则用于减少不确定和模糊逼近误差对系统的影响。所设计的控制器保证了闭环系统的最终一致有界稳定。基于Lyapunov稳定原理,给出了理论证明和分析。最后利用提出的控制方案设计了空天飞行器高超声速飞行姿态的控制系统,仿真结果表明了控制方案的有效性。     

高超声速飞行器控制一体化设计

针对高超声速飞行器模型具有气动/推进/控制强耦合和强非线性的特点,提出了一套面向控制的一体化设计方案.在概念设计阶段,以飞行器控制性能为优化目标,对气动、推进、结构、控制等参数进行一体化综合优选来设计飞行器.考虑模型生成的保真度要求和计算效率,建立高超声速飞行器参数化的数学模型,并设计LQR(linear quadratic regulator)跟踪控制器.通过不断调整飞行器构型,比较控制相关的动静态特性和控制效果,面向控制需求选择新的飞行器构型,并进行了仿真验证.仿真结果表明:控制一体化设计方法应用于高超声速飞行器概念设计初期可以扩大飞行包线,有效增大失速裕度,减小油耗,提高操纵面效能,降低发动机壅塞制约,对高超声速飞行器的设计效率和控制性能的提高起到了指导性的作用.      

基于边界层理论的高超声速飞行器滚动通道自适应滑模控制

针对倾斜转弯高超声速飞行器滚动通道控制中初始误差大,系统参数不确定和干扰严重的问题,基于边界层理论的相关结论,设计了一种自适应的滑模控制方法。该方法采用传统滑模面,避免了积分滑模在大初始误差下导致的大超调。改进的自适应调节律能够逼近系统的参数摄动和干扰上界,保证了整个控制过程的滑模可达性。同时,通过选取合理的参数,能够保证较小的稳态误差。理论分析和仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于保护映射理论的鲁棒控制新方法

针对现代控制系统不确定性的问题,基于保护映射理论提出了一种新的鲁棒控制方法.利用保护映射理论,构建控制器增益与闭环系统极点间的联系,通过配置闭环系统极点,改善控制系统的动态特性和稳态性能,以满足期望的性能指标.整个设计过程中控制器结构固定,只需一个初始增益,即可实现系统的鲁棒控制.仿真研究显示对含参数变化的2阶系统模型,该方法能够自适应地获取满足整个变化系统控制性能的控制器增益,同时Monte Carlo随机试验表明了系统参数随机变化下,所求控制增益仍满足系统控制性能要求,从而保证了控制过程的鲁棒性.      

Non-fragile switching tracking control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle based on polytopic LPV model

This article proposes a linear parameter varying (LPV) switching tracking control scheme for a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV). First, a polytopic LPV model is constructed to represent the complex nonlinear longitudinal model of the FAHV by using Jacobian linearization and tensor-product (T-P) model transformation approach. Second, for less conservative controller design purpose, the flight envelope is divided into four sub-regions and a non-fragile LPV controller is designed for each parameter sub-region. These non-fragile LPV controllers are then switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a specified performance criterion. The desired non-fragile LPV switching controller is found by solving a convex constraint problem which can be efficiently solved using available linear matrix inequality (LMI) techniques, and robust stability analysis of the closed-loop FAHV system is verified based on multiple Lypapunov functions (MLFs). Finally, numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the proposed approach.     

Adaptive aeroelastic vibration suppression of a supersonic airfoil with flap

This paper concerns the flutter, post-flutter and adaptive control of a non-linear 2-D wing-flap system operating in supersonic/hypersonic flight speed regimes. An output feedback control law is implemented and its performance toward suppressing flutter and limit cycle oscillations (LCOs) as well as reducing the vibrational level in the subcritical flight speed range is demonstrated. This control law is applicable to minimum phase systems and we provide conditions for stability of the zero dynamics. The control objective is to design a control strategy to stabilize the pitch angle while adaptively compensating for uncertainties in all the aeroelastic model parameters. It is shown that all the states of the closed-loop system are asymptotically stable.     

飞行/推进系统自适应神经网络综合控制仿真研究

 提出一种基于发动机喘振裕度自适应的飞行 /推进系统综合控制。在发动机喘振裕度较大的某些飞行条件或飞行包线内,通过调整喷口面积,使发动机喘振裕度保持在一个较小值,既保证发动机稳定工作,又增加发动机推力,从而改善飞机的性能。采用分散控制方案,综合控制系统由 5个控制子系统组成。各控制子系统的设计采用自适应控制和神经网络相结合的方法,所提出的参数和权重的自适应调整律保证系统的稳定性。全包线范围内飞机平飞加速和爬升数字仿真结果表明,该综合控制方法可缩短飞机的平飞加速时间和爬升时间。     

某型发动机数控系统的相似参数自适应控制

针对航空发动机在全飞行包线非线性和时变的特点,提出了参数自适应PID控制器设计方法,研究了用最小二乘法和相似参数法两种参数估计器进行在线参数辨识和参数整定的问题。通过与发动机线性模型和部件级非线性模型的仿真,对两种控制算法进行了比较,确定了相似参数法自适应PID控制器具有稳定性好,计算简单,适用于全包线等优点。将相似参数法自适应PID控制器用于某型航空发动机全权限数控系统,通过试车和试飞,验证了该方法的优点。      

基于改进无模型自适应算法的涡扇发动机限制保护控制方法

针对发动机限制保护控制问题,提出了一种基于数据驱动的改进无模型自适应限制保护控制方法。以主回路闭环系统为设计对象,通过在常规无模型自适应控制律的准则函数中增加误差变化率,使超限保护系统具有更快的响应速度,给出了改进后系统的稳定性条件,并采用临界比例度法进行了控制器参数整定。仿真结果表明:在不同工作点,所设计的改进无模型自适应限制保护控制器相比常规无模型自适应限制保护控制器,最大超限平均减小2.97%,响应时间平均缩短2.30s,实现了发动机超限后的迅速回调,保证了发动机系统的安全运行。