切换多胞飞行器的变增益H_∞跟踪控制

针对飞行器大包线控制问题,提出基于切换多胞系统的变增益H∞跟踪控制策略。采用切换多胞系统描述飞行器包线范围内的时变飞行动态,进而基于广义系统方法获得切换多胞形式的变增益H∞跟踪控制器设计方法,结合公共Lyapunov函数方法与平均驻留时间方法给出闭环飞行控制系统在时变工作条件下的一致稳定性与H∞性能分析方法,最后将所提方法应用于高机动性飞行器大包线控制系统的分析与设计。仿真结果表明变增益H∞跟踪控制系统在工作包线内体现出良好的动态响应品质与稳态跟踪性能,同时对大气扰动具有较强的抑制作用。     

迎角受限的高超声速飞行器固定时间鲁棒控制

针对高超声速飞行器动力学模型强耦合、非对称时变迎角限制、气动参数高度不确定以及跟踪误差收敛速率要求高等问题,设计了一种考虑非对称时变迎角限制的高超声速飞行器固定时间非奇异切换控制策略。为了解决非对称时变迎角限制问题,首先限制迎角虚拟控制器的幅值并设计固定时间误差补偿系统补偿迎角虚拟控制器饱和带来的不利影响,然后设计了一种新的光滑切换的非对称时变障碍函数限制迎角跟踪误差,从而使迎角满足非对称时变限制。光滑切换技术以及固定时间收敛技术也应用于其他虚拟控制律和实际控制律的设计中,以避免奇异值问题并且保证闭环系统的固定时间稳定。此外,设计了一种固定时间稳定的鲁棒补偿器用以补偿系统不确定性带来的不利影响。严格的数学推导证明了本文方法的正确性,仿真结果验证了本文方法的有效性和优越性。     

区间时滞系统的渐近稳定控制

文章研究了具有状态滞后的线性区间时滞系统的H∞鲁棒控制问题。通过把系统状态矩阵在区间内的不确定形式转换成可范数分解形式,获得了一种基于线性矩阵不等式(LMI)的设计鲁棒日∞控制器的方法。该控制器不但保证闭环系统渐近稳定,还可保证区间时滞系统的H∞范数限有界。     

区间时滞系统的渐近稳定控制

文章研究了具有状态滞后的线性区间时滞系统的H∞鲁棒控制问题。通过把系统状态矩阵在区间内的不确定形式转换成可范数分解形式，获得了一种基于线性矩阵不等式(LMI)的设计鲁棒H∞控制器的方法。该控制器不但保证闭环系统渐近稳定，还可保证区间时滞系统的H∞范数限有界。     

基于LMI方法的导弹变增益状态反馈H∞控制

针对传统变增益控制方法只适用缓变系统,在整个参数空间不能在理论上保证稳定性和性能的缺陷,提出了一种基于LPV模型的状态反馈H∞控制方法,该方法通过在整个参数空间寻找单一Lyapunov函数以保证系统的稳定性,同时,为了保证系统响应的动态特性,控制过程中把闭环极点配置到指定区域内。控制器的解算可转化成一系列的线性矩阵不等式(LMI),易于实现。最后的仿真结果表明,基于该方法设计的控制器具有良好的性能。     

高超声速飞行器的抗饱和切换控制

针对高超声速飞行器动力学模型强非线性及飞行过程中系统参数变化剧烈的问题，提出一种根据飞行包线分区并分别建立独立的子系统的切换系统建模方式和抗饱和切换控制方法。通过缩小子系统模型对应的飞行空域，降低系统线性化以及参数变化带来的影响，使得线性控制理论能够应用于高超声速飞行器的控制器设计当中。考虑到飞行过程中可能会遇到的执行器饱和问题，本文在切换系统模型的基础上，为高超声速飞行器设计了抗饱和切换控制器。仿真算例验证了提出的切换系统模型的优越性及抗饱和控制器的有效性。     

高超声速飞行器的LPV变增益状态反馈H∞控制

针对高超声速飞行器模型高度非线性、强耦合的特点,提出了一种多胞形线性变参数系统（Linear Parameter Varying, LPV）变增益状态反馈H∞控制器的设计方法。首先在感兴趣的变参数轨迹上选取若干个平衡点进行雅克比线性化并拟合得到LPV模型,将其离散化后存储于一张量中,然后利用高阶奇异值分解（Higher Order Singular Value Decomposition, HOSVD）,舍去较小和等于0的奇异值及对应的特征向量对其进行降秩重构处理,得到了有限个LTI多胞顶点系统。在对各顶点进行状态反馈控制器设计时,为降低保守性,通过引入松弛变量,将Lyapunov函数矩阵与系统矩阵解耦,从而可以在不同的点使用不同的Lyapunov函数矩阵,以此得到依赖变参数进行增益在线调节的控制器。最后的仿真结果表明了所设计的控制器能够使系统较快地跟踪指令信号,并具有一定的鲁棒性能。     

传输控制协议下网络控制系统的H_∞控制

针对一类具有时变时延的网络控制系统,研究了其在传输控制协议下的H_∞控制问题。首先,为了同时改善网络控制系统的控制性能和服务质量,本文基于传输控制协议设计了主动队列管理算法。该算法有利于缩减时变时延的变化范围,从而有利于获得期望的队列长度;其次,结合Lyapunov理论和线性矩阵不等式理论,在考虑外部噪声输入的情况下,提出了H_∞控制器的设计方法,在该控制器作用下,能使网络控制系统的状态渐近地稳定到原点;最后,通过仿真算例验证了本文方法的有效性和可行性。     

多模切换控制方法及其在分导飞行器姿态机动控制中的应用研究

研究一类离散切换系统的鲁棒保性能状态反馈控制器设计问题。利用切换Lyapunov函数和线性矩阵不等式方法,得到了鲁棒保性能控制器存在的一个充分条件,给出了控制器的参数化表示,并将次优保性能控制器的设计问题转化为基于线性矩阵不等式约束下的凸优化问题。最后将所提理论应用于某飞行器的控制方案设计中,说明了本文所提设计方法的有效性。     

基于μ综合的高超声速飞行器控制律设计

针对高超声速飞行器再入过程中飞行包线大,参数不确定性强等特点,设计一种利用不确定系统建模和μ综合控制的鲁棒姿态控制器。首先,考虑飞行器的参数不确定性,建立系统线性分式变换(LFT)模型。随后,考虑建模结构不确定性及测量噪声等的影响,建立用于μ综合控制的互联结构。最后,分别设计H∞控制器和μ综合控制器,结合频域μ分析方法对系统鲁棒性和动态性能作了对比分析,结果表明该方法可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

基于微分平坦的升力式再入飞行器鲁棒姿态控制一体化设计

针对升力式再入飞行器飞行过程中非线性、强耦合、快时变特性和外界干扰给姿态控制系统带来的挑战,提出了一种基于微分平坦的鲁棒姿态控制一体化设计方法。首先建立了升力式再入飞行器的姿态运动非线性数学模型,证明了该模型具有微分平坦性质。基于系统的平坦特性,通过微分同胚变换将模型转化为积分串联形式。在此基础上整体设计姿态控制器,实现姿态控制的一体化设计,相对于传统的时标分离方法,能更大限度地利用系统的性能,达到更好的控制效果,同时简化控制器设计过程,提高控制器设计效率。将非线性、强耦合、快时变造成的系统不确定项和外界干扰视为总扰动,设计了基于扩张状态观测器的补偿器,对总扰动进行动态观测并在控制器中实时补偿。仿真结果表明,提出的方法具有良好的姿态跟踪性能和较强的鲁棒性。     

带时延和拓扑切换的编队卫星鲁棒协同控制

综合考虑了存在通信时延、拓扑结构切换、参数不确定性和外部扰动等情况下的编队卫星协同控制问题,分别提出了鲁棒位置和姿态协同控制器。采用Lyapunov直接法,通过恰当地选取公共的Lyapunov函数,保证了所设计的位置协同控制器对于通信时延和拓扑切换具有鲁棒性。控制器中设计了一个自适应项,用于在线补偿卫星质量的不确定性。进一步,引入了一个含有时变参数的非线性饱和函数向量项,保证了位置协同控制器对于外部扰动的鲁棒性,并且控制器是连续的。然后,将协同控制器推广到了姿态协同的情况,提出了类似的鲁棒姿态协同控制器。仿真结果表明了本文协同控制方案的有效性。     

有大型挠性附件的卫星姿态线性鲁棒控制器设计研究

针对有大型挠性附件的卫星高精度高稳定度姿态控制问题,提出了一种基于H_2/H_∞混合控制理论的控制器设计方法。为尽量减少控制器变量的影响以提高其性能,选择刚体卫星模型建立了控制模型,卫星三轴姿态解耦,基于H_∞方法分别设计了三轴控制器。引入三个输出量,考虑三者间关系,设计相应的加权系数,所得H_∞控制器在数学仿真中有较佳的控制效果。考虑实际工程中源于控制周期和执行机构非线性的大幅值高频干扰等因素,用两种方法进行改进:一是设计H_2/H_∞混合控制,抑制噪声的影响,减小输出力矩的振荡;另一是在控制器的速率输入端添加滤波器,防止转速飞轮的高频干扰力矩激发控制器或整个系统的振动。设计的控制器以被动振动抑制方法为基础,考虑现有星上单机的技术条件及速率闭环飞轮的输出特性,通过选择合适的性能输出和反馈信息,在较低的闭环控制系统带宽下实现了大型挠性卫星的高精度高稳定度姿态控制。由数学仿真给出了设计的控制器及其性能,仿真和半物理试验结果均表明设计的H_2/H_∞混合控制器的控制精度、稳定度和挠性振动抑制效果均明显优于传统比例积分微分(PID)控制器。     

考虑跟踪性能约束的近空间飞行器控制器设计

针对一类可变后掠角的近空间飞行器(NSV)指令跟踪问题，考虑其受到外界扰动及参数不确定的影响，同时考虑系统的跟踪性能约束及姿态角速度约束，提出了一种基于模糊系统的切换控制器设计方法，确保系统在扰动影响以及给定约束下能够对给定信号进行稳定跟踪。建立了包含未知扰动及不确定项的近空间飞行器非线性切换模型；通过设计模糊系统对系统所受的总干扰进行实时估计，并基于反步法进行了切换控制器设计，在控制器中对干扰进行补偿；通过公共Barrier Lyapunov方法对系统稳定性及动态性能进行了分析。数值仿真算例校验了所提出方法的有效性及优越性。     

三轴稳定飞行器姿态控制系统混合LQR-H_∞控制器设计

基于简化的三轴稳定飞行器运动模型设计了线性二次型(LQR)最优跟踪调节器。为消除系统模型的不确定性,由微分几何精确反馈线性化理论设计了LQR输出反馈补偿器;对系统的外加干扰,考虑H∞控制的混合灵敏度设计了混合LQR-H∞控制器。仿真结果表明:该设计方法不仅使姿态控制系统有良好的跟踪特性,而且具一定的抗干扰能力,系统鲁棒性较强。     

面向飞行器控制的切换系统分析与综合

面向飞行器控制的切换系统分析与综合是近年来飞行器控制领域的研究热点。从切换系统在飞行器控制领域的优越性出发,首先对线性切换系统的分析与综合给予简单综述,在此基础上分析了切换系统在飞行器控制领域的应用,而后展开论述面向飞行器控制的线性切换系统建模、分析与控制综合方法,重点介绍局部重叠切换系统、稳定性分析和基于切换系统的综合方法等内容。最后,提出面向飞行器控制的切换系统研究的发展趋势。     

输入受限高超声速飞行器指数收敛状态反馈控制

对具有不确定性的高超声速飞行器在输入受限情况下的稳定控制问题,基于线性矩阵不等式(LMI)技术提出了一种具有指数收敛速率的控制器设计方法。将飞行器模型中的不确定性视为总和扰动,针对存在不确定性的输入受限系统给出了一种具有指数收敛速度的不变集条件,并利用LMI技术将控制器的设计问题转化为受限系统吸引域的最优化问题。仿真结果表明,在气动参数摄动和控制量存在饱和的情况下,本文设计的指数收敛控制器具有良好的动态特性和鲁棒性。     

飞控系统数字鲁棒控制器双自由度设计及仿真

在深入研究Ｈ∞控制基础上，提出了离散系统一类扰动前馈问题，基于Ｈ∞全信息控制问题，给出并证明了控制器的参数化描述公式。在此基础上，提出了离散双自由度系统的Ｈ∞设计方法。在这一类问题中，相应标准离散Ｈ∞设计中的第二个离散代数Ｒｉｃｃａｔｉ方程不再需要求解。且系统即具有良好的性能又具有很好的鲁棒稳定性。以此方法对一飞控系统进行了详尽的设计和仿真，得到了非常满意的结果。     

傅里叶光谱仪光程扫描的鲁棒H_∞控制设计

为满足星载时间调制型傅里叶光谱仪光程扫描速度稳定性要求,针对星载光谱仪精密扫描跟踪系统的特点,提出一种鲁棒H无穷(H∞)控制器设计方案。文章首先分析建立了光程扫描系统的数学模型;在此基础上,为达到控制性能要求和鲁棒性要求,采用H∞混合灵敏度的设计方法,阐述了鲁棒H∞控制器设计中加权函数的选择依据和确定过程,利用Matlab鲁棒控制工具箱得到H∞最优控制器。考虑卫星平台振动的影响,建立干扰源模型,对外界干扰的影响进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的鲁棒H∞最优控制器具有良好的扫描跟踪特性,对外界干扰具有良好的鲁棒性,达到了星载光谱仪对高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能要求。     

基于观测器的高超声速飞行器模糊自适应控制

针对高超声速飞行器输出跟踪问题,提出了一种基于观测器的分层模糊自适应鲁棒控制器的设计方法。本文设计了一种基于分层模糊系统的间接自适应控制器,减少在线辨识参数的数量;同时设计非线性干扰观测器(NDO)对系统复合干扰进行估计补偿;最后引入鲁棒补偿控制项,克服传统非线性干扰观测器的限制条件,并利用Lyapunov理论证明了整个系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅能够保证高超声速飞行器具有良好跟踪性能,而且具有很强的鲁棒性。