快速模型预测控制用于微型直升机航迹跟踪

为实现微型共轴无人直升机(MCUH)的航迹跟踪,考虑系统的状态和输入约束,利用非线性模型预测控制(NMPC)技术设计一种快速在线的控制器。首先,简化MCUH的非线性模型,利用系统的微分平坦特性生成满足直升机动力学的可行航迹,沿着该航迹对系统进行线性化,得到近似直升机非线性动力学的线性时变(LTV)模型。然后,将传统输出航迹跟踪NMPC问题转化为LTV-MPC优化问题,降低问题的复杂度,为确保航迹跟踪误差系统的指数渐近稳定,分别设计终端域和终端罚值。最后,通过数值仿真,验证快速在线NMPC策略的可行性。结果表明:设计的预测控制器误差控制精度高、求解速度快,可实现对有约束的时变航迹的跟踪。     

嵌入式分布式架构下航空发动机模型预测控制方法研究

传统集中式架构和离线设计控制器的方法已经很难满足航空发动机复杂多变、全生命周期控制需求。本文提出了一种部分分布式架构的涡喷发动机模型预测控制方法，并进行了鲁棒性分析：采用改进的组合线性模型求解方法，在保证精度的前提下大幅缩短求解时间，解决了发动机多变量线性状态空间模型求解问题；设计了基于线性模型预测控制的涡喷发动机控制器，解决了含有约束条件下发动机动态性能优化问题；考虑到分布式控制系统具有总线网络通信特性，建立了以网络工具箱模拟总线网络的分布式控制系统仿真平台，解决了存在总线网络丢包情况下的分布式控制系统鲁棒性分析问题；采用多节点模块化设计方法，设计并搭建了分布式控制系统硬件在环仿真平台并采用嵌入式矩阵运算优化方法，解决了模型预测控制算法在嵌入式平台上的应用问题。试验表明：模型预测控制的效果优于传统PID控制效果，有效地提高了发动机的动态响应；同时，在存在网络丢包情况下，本文所设计的基于模型预测控制的分布式控制系统依然具有稳定的控制效果和鲁棒性。     

基于LMI的高超声速飞行器滑模预测控制

针对高超声速飞行器非线性、多约束、快时变等特点,提出了一种基于线性矩阵不等式的滑模预测控制方法.首先设计系统的滑模面,然后对滑模面进行预测并将其作为优化性能指标,通过Schur补引理将控制律的设计转化为一个优化问题.该方法避免了常规滑模控制的高频切换,有效地克服了抖振现象.此外,相对于传统的滑模预测控制方法,该方法不需要额外计算终端约束条件和终端代价函数,只需要通过选取合适的李雅普诺夫函数即可保证系统的稳定性,且其加权矩阵和控制律是同时进行优化设计的,简化了设计过程.仿真试验表明,相比于单纯的预测控制和滑模控制,所提出的方法具有更好的跟踪性能.     

涡扇发动机加减速控制规律设计的定状态法

为便于开展涡扇发动机过渡态控制规律的正向设计,提出了一种基于模型的定状态控制规律设计方法。通过固定发动机加减速过程中的转速状态量,逆向求解满足物理约束条件的最优燃油量,获得发动机最优加减速控制规律。以某涡扇发动机为例,使用该方法基于部件级模型动态仿真分别设计了发动机过渡态开环油气比控制规律与闭环转子加速度控制规律,结果表明:两种控制规律仿真结果基本一致,满足最短加减速时间的要求,发动机高、低压转速仿真曲线与设计状态一致,发动机涡轮出口总温、燃烧室余气系数和喘振裕度等主要参数均未超限,验证了所提出的涡扇发动机加减速控制规律定状态设计方法的正确性和有效性。      

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计

针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪控制的快速性需求,提出一类自适应终端滑模有限时间控制方法,通过引入饱和函数解决了终端滑模控制器的奇异问题,并结合实际有限时间稳定概念显式地给出了系统状态收敛时间和收敛范围之间的对应关系;为在提高系统鲁棒性的同时避免控制器抖振,设计了一种新型自适应律估计并补偿未知环境干扰。进一步地,针对如遥感卫星对地扫描成像等姿态跟踪任务中存在的状态约束问题,通过在控制器中引入具有对数形式的预设性能项,使系统滑模面响应具有期望的动态过程,约束了航天器姿态跟踪误差及其一阶导数的变化范围。仿真结果表明,设计的控制器具有较高的控制精度和响应速度,满足实际任务对状态约束的需求,且其控制输出不存在奇异和抖振,具备良好的工程应用价值。     

基于ILMI的直升机悬停控制律设计

提出了一种新的直升机悬停控制律设计方法。在建立了直升机数学模型后,通过迭代线性矩阵不等式方法(ILM I)求解基于线性二次型的直升机悬停控制律,使得直升机能达到满意的悬停性能指标,并且明显降低了控制器的保守性。仿真结果表明,使用该方法设计的控制器同时满足动态性能指标和稳态性能指标,与使用标准线性二次型方法设计的控制器相比,其性能指标在横侧向提高了12.3%,纵向提高了13.7%。     

非线性导弹自动驾驶仪设计的软件工具

本文论述了一个用于非线性控制系统综合的计算机辅助设计软件包。软件包含了五种不同的现代非线性控制方法。而软件的通用性在于它具有使用一个仿真模型来开发非线性控制器的能力。相对应的结果就是，任意复杂度的模型可以被用在控制规律的开发进程之中。通过对一个纵向导弹模型的非线性调节器的设计来演示设计软件的使用。     

基于非奇异快速终端滑模的永磁同步电机转速和电流控制

针对永磁同步电机在矢量控制中存在转速和电流频繁超调、稳态精度低、鲁棒性弱等问题,运用非奇异快速终端滑模控制器替代传统PI控制下的转速环控制器和电流环控制器,并采用李雅普诺夫函数证明了3个控制器的稳定性。借助MATLAB/Simulink仿真软件分析了采用非奇异快速终端滑模控制器和PI控制器的转速、电流响应波形。仿真结果表明:采用非奇异快速终端滑模控制器有更小的超调量、更高的稳态精度和更强的鲁棒性。     

基于T-S模型的飞控系统跟踪控制器设计

提出了用PDC跟踪控制器设计飞控系统的方法,给出了稳定性和极点配置定理,将控制器的参数求取问题转化为求解线性矩阵不等式族的问题,所设计的控制器不仅具有全局渐近稳定性,还具有较好的鲁棒性。对用该方法设计的俯仰角跟踪控制器进行了仿真和鲁棒性验证。仿真结果表明,所设计的控制器能够满足性能品质和鲁棒性要求。     

基于Radau伪谱方法的轨迹优化

研究了导弹在末制导阶段满足多约束条件下的轨迹优化问题。针对传统方法在处理复杂的非线性运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Radau伪谱方法(RPM)的求解策略。首先,给出了考虑导弹速度和空气密度变化、终端和过程约束条件以及2种不同的性能指标函数的最优轨迹优化问题;其次,利用RPM将轨迹优化问题转化为非线性规划问题,采用序列二次规划算法求得最优解;最后,分2种初始条件对最大落角和最大终端速度的轨迹优化问题进行了仿真验证,结果表明:本文方法能够在较短的时间内生成一条满足多种约束要求的高精度的最优轨迹。     

基于旅客步行距离的指廊型航站楼构型优化

采用基于旅客步行距离的分析方法来研究指廊型航站楼构型优化问题。通过分析航站楼构型的影响因素,并利用数学方法进行优化,最终得到了不同旅客构成条件下两种指廊型航站楼的最优构型。     

过虚拟交班点的能量最优制导律

针对固定目标的导弹过虚拟交班点制导问题，在希尔伯特空间下，基于最优化理论设计了有无终端落角约束两种情况下的全局能量最优制导律。通过对模型进行线性化，将提出的最优制导模型转化为线性二次型最优控制问题，在此基础上利用零控脱靶量（ZEM）概念对系统模型进行降阶，并推导出解析解。设计的制导律可以使导弹准确经过虚拟交班点，并实现期望终端落角。仿真结果表明，与经典制导律对比，该制导律可以显著减少全局控制能量消耗。     

多导弹协同制导律综述

根据制导约束条件的不同,将多导弹协同制导律划分为具有弹着时间、终端角度、终端速度分别约束,以及弹着时间与终端角度同时约束四类.系统地论述了各类导引律的方法和特点,总结和分析了其优缺点,并对其发展趋势进行了探讨,可为多导弹协同制导律的优化设计提供参考.     

终端区飞机排序的规划模型和算法研究

对终端区到达飞机进行排序是终端区交通管理自动化系统的一项主要任务。提出了一种新的终端区规划排序模型，把飞机的排序问题看作等价于带有准备好时间的渐增周游店员问题，并给出了兼顾解的最优性和计算复杂性的快速启发式算法。分析了静态和动态两种情况，并且考虑了实际的运行限制。计算结果表明，所给模型和算法具有良好的规划性能，能较好地解决终端区排序问题，可应用于我国空中战术流量管制系统。     

一种可实现的离散时间最优末制导律

提出了一种可实现的离散时间最优末制导律,该制导律在导弹导引头获取的目标加速度信息的基础上,以时间最优为设计指标,可动态调整最优控制量,能够适应目标末端机动,并采用变周期算法以提高收敛速度。仿真结果表明,该制导律能够满足给定脱靶量要求,成功拦截目标。     

反舰导弹末端螺旋机动策略优化

为了使反舰导弹在与水面舰艇攻防对抗过程中获得较好的突防效果,文章首先对水面舰艇的反导防御体系进行建模,研究反舰导弹和舰空导弹的攻防对抗过程,然后在此基础上研究反舰导弹的螺旋机动突防方法,最后以拦截弹平均脱靶量最小为评价指标选择最优的末端螺旋机动突防策略。     

基于FCM的终端区交通态势识别

终端区交通态势的日益拥挤,一定程度上造成航班的延误,给航空公司及旅客带来了极大损失。为了对终端区交通拥挤进行有效的识别和疏导,对终端区交通态势进行了研究。通过采集的雷达数据,提取影响终端区交通态势的属性指标,运用模糊C-均值聚类(FCM)方法建立了终端区交通态势识别模型,模型可快速准确地识别交通态势。以某终端区为例,验证了模型的有效性。     

基于整数规划的终端区空域扇区划分研究

扇区划分是终端区空域规划的研究内容之一,划分后能覆盖不均匀的交通分布,缓解需求与容量的不平衡,从而提高空域系统的运行效率。将终端区扇区划分作为一个整数规划问题,在约束条件中考虑了间隔规则、飞行路径需求和机场跑道结构的几何约束等,根据最优解来生成终端区扇区。以某终端区算例,验证了整数规划模型的可行性。     

约束条件下的末制导律研究进展

随着武器作战样式的变革,带约束条件下的末制导律研究受到了越来越广泛的关注。评述了近年来约束条件下的末制导律的研究新进展,对目前约束条件下的末制导律设计进行了详细的研究,分析了各种方法的优缺点。在此基础上,对比给出了多约束条件下的末制导律设计的难题以及可能解决的途径。