一种高超声速飞行器的非线性再入姿态控制方法

针对高超声速飞行器的再入非线性动力学模型,利用SDRE（state dependent Riccati equation）设计姿态控制器。基于奇异摄动理论,把姿态动力学分解成姿态角和姿态角速度跟踪内、外环回路,同时把非线性动力学伪线性化。每个跟踪回路用SDRE获得控制律,考虑到SDRE局部渐近稳定的特点,可以保证系统闭环稳定。最后设计高超声速飞行器飞行控制系统,并在高超声速条件下进行仿真,验证了该方案的有效性。     

高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

飞行器自适应ESO姿态控制器设计

飞行器无动力再入过程中,姿态受到气动及不确定干扰影响,控制模型具有强耦合、大范围参数摄动等非线性特征。针对再入飞行器姿态控制问题,结合扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）和自适应控制律,基于奇异摄动理论将非线性姿态控制模型分为快慢两回路,分别设计了飞行器内环和外环自适应姿态控制器,并通过 Lyapunov 稳定性理论证明控制器的稳定性。仿真结果表明,控制系统在强干扰及参数大范围摄动的情况下,具有较强的鲁棒性,能够获取良好的动态品质和跟踪性能。     

基于状态反馈的黄金分割控制器参数化方法及其在高超声速飞行器上的应用

研究气动参数摄动和外界扰动下高超声速飞行器姿态系统的鲁棒自适应控制问题.引入特征建模的思想对高超声速飞行器的姿态系统建立二阶差分方程模型.考虑到高超声速飞行器再入过程要经历飞行环境的剧烈变化的特点,为了提高闭环系统的瞬态响应性能和抗扰能力,设计了黄金分割鲁棒自适应控制器.该控制器具有与特征模型相似的结构,控制器参数通过在线辨识获得,并且按照黄金分割比生成控制信号,能够保证辨识参数收敛过程中系统的稳定性.基于混合H2和H∞控制思想对标准的黄金分割自适应控制器中的参数λ进行在线优化,从而保证了姿态回路对气动参数摄动和外界扰动具有满意的鲁棒性.所提出的λ(k)优化算法是通过对一组线性矩阵不等式求解得到的,因此易于工程实现.改进后的黄金分割鲁棒自适应控制算法在自适应性和鲁棒性的优越性使得该方法尤其适用于高超声速飞行器姿态控制系统.仿真结果验证了控制方法的有效性和实用性.     

一种高超声速飞行器的再入约束非线性控制方法

在再入过程中高超声速飞行器存在着多约束,包括角度,角速度,力矩约束,提出一种约束非线性控制方法.基于奇异摄动理论设计内外环解耦控制方案,控制系统的外环基于近似连续非线性预测控制和滑模预测实现角度跟踪,满足角速度约束和闭环稳定.强耦合的内环采用动态逆跟踪角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰,采用抗饱和技术在线调整控制参数,减少力矩饱和,提高内环的跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

一类微型扑翼飞行器的滑模自适应姿态控制

针对微型扑翼飞行器这类非线性时变系统,基于李雅普诺夫稳定性理论提出了滑模自适应控制算法,应对系统中的不确定性和抑制扰动,完成飞行器悬停阶段调整方位的姿态控制.在高频的扑翼状态下,系统模型利用摄动理论中的平均化法进行近似时不变处理.控制器的设计以滑模控制为主体,滑模面利用误差角三角函数和体角速度构造,来避免不必要的偏航控制,同时结合自适应控制方法,实时逼近无法准确计算的惯性张量和干扰力矩,缓解传统滑模控制中开关函数所带来的抖振问题.Simulink仿真结果表明,滑模自适应控制算法优于传统滑模控制,在正弦干扰气流的影响中有良好的鲁棒性,以此验证了算法的可行性.     

四旋翼无人机动态面控制

针对四旋翼无人机（UAV）飞行器系统欠驱动特点,引入动态面控制方法,对四旋翼UAV的位置和姿态进行控制。考虑到飞行器速度和角速度难以测量,设计高增益观测器得到UAV的速度和角速度的估计值。相对于反演法,动态面控制的设计更简洁,并且通过引入滤波器来求取控制信号中的系统状态的导数项。另外,常用的时标分离方法不能给出全局稳定性分析,本文引入动态面设计控制律保证系统所有信号半全局一致有界,同时给出系统全局稳定性证明。仿真结果表明,四旋翼UAV能快速精确完成目标跟踪。      

自旋飞行器姿态运动的动态-测量系统建模

模型化处理是飞行器测控工程的重要技术之一。文章以在轨自旋飞行器的姿态运动为研究对象,采用动力学分析的方法,不仅实现了姿态角演化微分方程与转动角速度微分方程的严格解耦,而且提出并建立带关联方程的动态-测量系统模型。基于该系统模型和扩展Kalman滤波/预报算法,建立了姿态角最优估计和转动角速度高精度估计算法。     

一种基于标准弹道法的自适应制导律设计

提出一种基于自适应补偿思想的再入飞行器纵向制导律改进方法.首先利用未知摄动函数描述纵向动力学方程,并基于此设计了对气动参数变化具有自适应能力的控制律,与原标准轨道控制律叠加形成全控制律,最终用于再入制导.仿真结果表明,所设计的控制律对于气动参数变化,大气密度变化具有较好补偿效果.     

基于遗传算法的高速飞行器模糊控制律设计

以吸气式高超声速飞行器X-43A的纵向通道为控制对象,针对其6自由度非线性模型设计了飞行控制系统.飞行控制系统包括2个回路,制导回路采用PD控制器,控制回路应用模糊控制器.制导回路负责跟踪轨迹,控制回路执行制导指令.基于遗传算法实现了PD反馈参数和模糊控制规则的自动优化,无需先验知识和训练数据.在控制飞行器轨迹、姿态和推力时,综合考虑非线性动态特性、不确定性和约束.仿真表明,该方法可以同时满足飞行控制系统鲁棒性和优化过程收敛性的要求.      

基于动态逆的BTT导弹自动驾驶仪设计

针对BTT(Bank-To-Turn)导弹的复杂非线性特性和冲压发动机带来的飞行姿态限制,在其自动驾驶仪设计问题上,指出了直接应用动态逆方法存在非最小相位特性,提出了基于动态逆的双阶段设计方法:第一阶段采用动态逆方法设计内环控制器实现攻角、侧滑角和滚转角的跟踪;第二阶段分别基于神经网络和动态逆构造攻角和滚转角速度指令生成器,实现外环对法向加速度、侧滑角和滚转角的良好跟踪效果.六自由度数学仿真验证了该方法的三通道的解耦控制能力和鲁棒性,为BTT导弹自动驾驶仪设计提供了一个可行的方案.      

Robust three-dimensional path-following control for an under-actuated stratospheric airship

This paper proposes a robust three-dimensional (3-D) path-following controller for an under-actuated stratospheric airship in the presence of uncertainties. The resultant control system exhibits an inner-outer loop control structure. In the outer control loop, the path-following error dynamics is constructed in a moving Serret-Frenet frame and a new guidance law with the sideslip and attack angle compensation is designed, which decreases the path-following steady-state error. In the inner control loop, a disturbance observer based backstepping control law is proposed to achieve the desired dynamic behavior on the path. Furthermore, a new velocity tracking control strategy is developed which aligns the resultant velocity tangent to the path. Finally, numerical simulation results are shown to verify the effectiveness of the proposed controller.     

基于ADRC的涡轴发动机／直升机子系统抗扰控制

主要研究涡轴发动机转速抗扰控制问题,提出了一种基于自抗扰控制技术(ADRC,Adaptive Disturbance Rejection Control)的涡轴发动机增量型串级抗扰控制器设计方法.一方面,采用串级控制结构,内环控制块模态的燃气涡轮转速,外环控制功率涡轮转速,使得内环扰动得到快速抑制.另一方面,每个子回路中通过扩张状态量观测实时地对被控对象内环进行扰动补偿.最后,基于直升机/发动机非线性综合仿真模型的数字仿真表明该控制方法显著改善了涡轴发动机功率跟随特性,提升了直升机/涡轴发动机综合闭环系统的可操控极限.     

挠性航天器快速大角度机动的非线性模型与控制

研究一类构形为中心刚性带挠性梁的航天器平面快速大角度机动的动力学与控制问题。利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理,建立了系统的非线性无穷维动力学模型;在只可测量刚性主体旋转角及其速率的情况下,设计了一种线性反馈控制方案,并应用ＬａＳａｌｅ不变原理证明了相应闭环系统的渐近稳定性。     

基于不变流形的高超声速飞行器动态面控制

针对存在未知气动参数的吸气式高超声速飞行器纵向运动控制问题,提出一种基于不变流形的自适应动态面控制方法.通过合理假设将高超声速飞行器纵向模型分解为弹道倾角回路和速度回路,分别实现对弹道倾角和速度参考指令的跟踪.弹道倾角回路被表达为严反馈形式进行控制器设计.采用基于不变流形的自适应方法实现了对未知参数的估计.所提出的自适应动态面控制方案能保证未知参数估计误差全局一致稳定和闭环系统全局有界稳定,且估计器和控制器设计不存在耦合,因此参数设计更加容易.仿真结果验证了该控制方法在参数估计方面的显著优势和良好的闭环系统性能.     

新气动布局飞机的过失速控制律设计

提出了一种多操纵面新气动布局飞机的过失速控制律设计方法.利用最小二乘拟合方法处理离散气动数据,得到连续六自由度非线性飞机方程;使用扩展线性化方法将飞机方程简化为工作点族上具有时变特征的线性系统形式;使用符号运算方法设计了系统闭环控制律和大攻角下的过失速控制律.仿真实验表明,这种控制律用于现代飞机的过失速机动是有效的.      

超机动飞机的非线性飞行控制研究

介绍了应用非线性动态逆理论进行战斗机过失速机动条件下飞行控制律设计的具体过程,首先根据奇异摄动理论将受控状态变量分为快变量和慢变量两个层次,快变量为三个角速率,慢变量为迎角、侧滑角和速度滚转角,然后根据非线性动态逆理论分别对内环和外环进行设计,其中外环控制器的输出作为内环控制器的输入指令.最后对所设计的飞行控制律利用过失速机动仿真来加以验证,结果表明本文设计的飞行控制律完全能够在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行.     

基于定量反馈理论的EHA控制器设计

定量反馈理论(QFT,Quantitative Feedback Theory)是一种鲁棒控制器设计方法,具有很好的工程实用性,在液压伺服控制领域得到了广泛应用.建立电动静液作动器(EHA,Electrical Hydrostatic Actuator)模型并简化后,基于定量反馈理论进行了内外环控制系统的设计.内环控制电动机转速,主要保证其快速性;外环控制舵面的转角,要兼顾跟踪性能、鲁棒稳定性和抗干扰能力.设计过程中考虑到了电动机、液压系统的参数不确定性和各种飞行状态下的负载变化情况,并根据内外环性能指标生成边界条件.仿真结果表明:控制器不仅对参数变化具有鲁棒性,还能很好地抑制输出干扰带来的影响,使一体化电动静液作动系统充分发挥其转矩高、功率密度大、易于维修和模块化的优点,对整个飞控系统的性能提高有很大帮助.