基于多滑模调节器切换的机动飞行边界保护控制

针对飞行器机动过程中关键飞行参数容易超出其边界的问题,研究了基于多滑模调节器的边界保护控制器。利用滑模方法设计多个边界调节器并采用最大/最小逻辑在各调节器之间进行切换。首先对边界约束集的正不变性以及系统最终的收敛性进行了严格的证明,然后通过将系统化为可控标准型,提出了确定系统最终收敛点的直观方法;其次通过引入分段线性滑模和分段二次Lyapunov函数对闭环系统的稳定性进行了分析;然后在此基础上给出了机动边界保护系统控制器的设计步骤;最后通过仿真表明,所设计的控制器能够保证在机动过程中关键飞行参数不越界的同时对输入指令进行很好的跟踪。     

涡扇发动机极值限制保护闭环控制设计

现代高性能涡扇发动机采用分段组合多变量控制计划,以发挥发动机工作在整个飞行包线范围内的气动热力设计潜力。为保证发动机在过渡态工作的安全性,控制系统中必须考虑极值限制保护控制的设计问题。为避免直接限制保护控制引发的不同控制通道切换带来的系统震荡问题,提出1种高回路稳态增益的滞后-超前频域校正间接极值限制保护控制器设计方法,在保证限制回路足够的稳态精度和抗噪声能力的同时,又避免了引入积分环节导致相角裕度损失过大的缺点。通过发动机线性模型和非线性模型的控制系统仿真,验证了所述方法设计限制控制器的有效性。     

基于混合灵敏度的航空发动机切换控制系统设计

针对航空发动机工作安全边界,提出了一种基于切换控制的航空发动机控制系统设计方法.给出了切换控制策略的设计思路及切换稳定性的条件.给出基于混合灵敏度的航空发动机多回路切换鲁棒控制器设计方法,并构造了线性矩阵不等式.通过基于计算得到的控制器参数仿真表明,采用该切换方式相比于Min/Max切换方式消除了积分饱和在切换中延迟影响,提高发动机的动态响应能力及鲁棒性,同时可以保证切换的稳定性.      

双滑模变结构控制在导弹加速度控制中的应用

基于双滑模变结构控制理论,对切换面的选取和控制量的切换规律做了进一步的分析,提出两个切换面可以分开单独设计,通过状态反馈保证在滑模区上的稳定性;在具有非匹配不确定性的情况下,证明了控制量的设计能够满足滑模控制的可达条件;提出了更简单的控制律设计方法,保证状态轨迹分别在两条滑模区上来回切换,降低了控制量振动频率.用动态平衡的方法,通过控制导弹的平衡迎角达到了控制加速度的目的.针对某型导弹纵向回路线性模型和非线性时变模型进行了仿真研究,结果证明了设计的可行性和有效性.     

发动机稳态与过渡态控制集成设计仿真验证

研究了某型涡扇发动机全飞行包线稳态与过渡态控制集成设计问题.首先利用根轨迹分析法和时域分析法设计了从慢车状态到最大状态的多个比例积分(PI)设定点控制器,并利用增益调参和换算参数得到了全飞行包线的稳态控制器参数.然后将加减速控制计划与稳态控制通过max/min逻辑进行集成,考虑了抗积分饱和功能及设计了相应的抗积分饱和模块,最后得到的集成控制系统在软件MATLAB/Simulink下进行了仿真验证.仿真结果表明集成控制系统稳态时抗扰动性能良好,过渡过程中曲线平滑,有效利用了各种限制条件还兼有抗积分饱和功能并且能进行平滑切换.      

具有边界保护性能的直升机飞-发一体化控制律

针对直升机飞-发一体化控制和边界保护控制问题，提出了一种基于投影算子的新型边界保护控制律设计方法，基于反馈控制概念设计了指令约束器，通过对控制指令进行修正，实现边界保护控制。基于UH-60直升机和T700涡轴发动机的参数，建立了直升机-传动机构-发动机综合系统的数学模型，采用动态逆和线性二次型调节器（LQR）控制理论设计了直升机飞-发一体化控制律，与基于投影算子的边界保护控制模块进行整合形成完整控制律。采用数值仿真检验了控制律的控制性能，仿真结果表明本文设计的控制律能够实现直升机和发动机的综合控制，在高度、滚转、俯仰、偏航通道实现显模型跟踪控制性能的同时，实现了高度变化率、姿态角、姿态角速率和发动机动力涡轮转速边界保护控制要求。     

参数限制对涡轴发动机过渡态控制的影响

通过研究涡轴发动机的限制参数,提出了涡轴发动机控制系统中可能采用的限制规律并建立了一个带多种限制模块的数字控制器,以某型涡轴发动机数学模型为控制对象,对带限制参数和不加限制的过渡态控制进行了仿真对比,给出了地面和空中的仿真结果,结果表明不同的限制参数组合会对发动机的过渡态性能产生不同的影响,在控制系统中合理选取限制参数及限制值能够优化发动机过渡态性能。      

刚体航天器姿态跟踪系统的自适应积分滑模控制

 采用自适应滑模控制(ASMC)技术进行姿态跟踪系统设计时,切换增益的整定不需要外部干扰及惯量阵不确定性的上界信息。但现有自适应滑模控制方法存在过度适应问题,产生的切换增益远大于控制所需值。为解决该问题,在自适应滑模控制框架内开展了刚体航天器姿态跟踪控制研究。首先对切换增益自适应机制进行分析,揭示了造成过度适应问题的原因。然后利用积分滑模控制的全局滑模特点,消除了初始跟踪误差对自适应过程的影响,提出了一种自适应积分滑模姿态跟踪控制方法。理论分析和仿真结果表明该方法能够有效减小切换增益。     

基于滑模控制方法的航空发动机控制系统改进设计

为改善传统基于线性控制方法(PID控制)设计航空发动机控制系统在极限保护方面的不足,提出利用非线性控制理论——滑模控制取代原有控制系统中的线性控制器,设计了发动机稳态控制器与基于max-min控制逻辑的极限保护器的综合系统。与传统PID控制方法的控制效果相比较,滑模控制方法可在保证发动机不超限的情况下充分发挥发动机潜能。讨论了边界层厚度等因素对滑模控制抖动的影响。采用滑模方法设计的控制器在硬件在回路平台(HIL)上通过了仿真验证,满足实时性要求。     

1种Ndot 过渡态PI控制律的设计方法

转子加速度的过渡态控制律已应用于先进的航空发动机控制系统的设计中,以改善过渡态的加减速性能,其优点在于N-dot控制计划能够保证同一型号发动机加减速性能的一致性,而不随发动机加工制造误差、材料差异及部件性能退化等因素变化。针对双转子涡扇民用发动机,提出了1种N-dot过渡态控制律的设计方法,基于差分进化算法,在发动机慢车到最大状态对应的若干稳态工作点,设计了相应的N-dot PI控制律,采用增益调度计划构建了全飞行包线内的N-dot过渡态控制律。在发动机性能退化的情况下,对N-dot闭环过渡态控制与油气比开环过渡态控制的加速性能进行了仿真。仿真结果表明:N-dot闭环过渡态控制性能优于油气比开环过渡态控制性能。     

航空发动机全程滑态变结构控制研究

一种新的滑模变结构控制方法-全程滑态变结构控制首次应用于航空发动机控制系统，该控制方法能有效地缩短系统状态到达滑动模态的时间，避免了定常滑态变结构控制系统在能达阶段对扰动的敏感性，且其控制律的设计可以改善系统的瞬态性能，克服未知参数摄动的影响，仿真结果表明，基于全程滑态变结构控制所设计的发动机控制系统，其鲁棒性要优于发动机定常滑态结构控制系统。     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

Dynamics modeling and pressure control of composites tape winding system based on LQSMC

Pressure fluctuations during the composite fiber winding process seriously affect the product's compactness strength, fatigue resistance, stress uniformity, and resin content. The accuracy of pressure control systems is affected by nonlinear disturbances, such as friction, parameter perturbation, and measurement noise. A robust control algorithm based on linear quadratic optimal control and sliding mode control (LQSMC) is proposed to overcome these problems. The method is based on the system state space expression and linear quadratic optimal control. The state space model of the system is improved by using a Kalman filter and control input for state estimation, and a new sliding surface equation is defined. The ameliorated control algorithm exhibits good performance and can effectively suppress sliding mode control (SMC) chattering. Simulation and experimental results show that LQSMC offers high control precision, much stronger anti-interference, and robustness, which can effectively improve the positioning and tracking accuracy of a pressure control system compared with linear quadratic optimal control (LQC). The winding pressure control precision is improved by 45% to 50%. The results show that the porosity of composite fiber tape winding products decreased thanks to our method.     

Limit protection design in turbofan engine acceleration control based on scheduling command governor

A new limit protection method based on Scheduling Command Governor (SCG) is proposed for imposing multiple constraints on a turbofan engine during acceleration process. A Gain Scheduling Controller (GSC) is designed for the transient state control and its stability proof is developed using Linear Matrix Inequalities (LMIs). The SCG is an add-on control scheme which manages engine limits effectively based on reference trajectory optimization. Unlike the traditional min–max architecture with switching logic, the SCG method utilizes the Linear Parameter Varying (LPV) closed-loop model to form a prediction of future constraint violation and per instant solves a constraint-admissible reference within an approximate Maximal Output Admissible Set (MOAS). The influence of the variation of engine dynamic characteristics and equilibrium points during transient state control is handled by the design of contractive sets. Simulation results on a turbofan engine component-level model show the applicability and effectiveness of the SCG method. Compared to the traditional min–max method, the SCG method has less conservativeness. In addition, the design of contractive sets makes conservativeness tunable.     

永磁直线同步电机滑模控制系统

设计了一种基于滑模变结构的永磁直线同步电机(PMLSM)矢量控制系统。从直线电机的基本工作原理出发,通过坐标变换,建立PMLSM在两相同步旋转正交坐标系上的数学模型。基于滑模变结构和李雅普诺夫稳定性理论设计转速调节器,组成PMLSM滑模控制系统。为了验证该控制系统的有效性,在MATLAB/Simulink平台下搭建系统的模型并进行仿真。仿真表明,该控制系统具有很强的鲁棒性。     

Dynamics modeling and control of a transport aircraft for ultra-low altitude airdrop

The nonlinear aircraft model with heavy cargo moving inside is derived by using the separation body method, which can describe the influence of the moving cargo on the aircraft attitude and altitude accurately. Furthermore, the nonlinear system is decoupled and linearized through the input–output feedback linearization method. On this basis, an iterative quasi-sliding mode(SM)flight controller for speed and pitch angle control is proposed. At the first-level SM, a global dynamic switching function is introduced thus eliminating the reaching phase of the sliding motion.At the second-level SM, a nonlinear function with the property of ‘‘smaller errors correspond to bigger gains and bigger errors correspond to saturated gains' ' is designed to form an integral sliding manifold, and the overcompensation of the integral term to big errors is weakened. Lyapunovbased analysis shows that the controller with strong robustness can reject both constant and time-varying model uncertainties. The performance of the proposed control strategy is verified in a maximum load airdrop mission.     

基于二阶鲁棒滑模观测器的民用涡扇发动机气路故障诊断

针对状态估计器在航空发动机气路参数估计中响应迟缓、鲁棒性不强等问题,以未知输入重构的思路,提出了一种基于Super-twisting滑模观测器的航空发动机气路故障诊断方法。通过将健康参数考虑为未知输入,设计滑模切换项重构健康参数的变化量,由于避免了状态估计器设计中健康参数导数为零的假设,本文的方法在处理突变故障时拥有更快的响应速度。针对鲁棒性问题,提出了一种新的故障向量增广形式,通过将扰动项增广至健康参数向量中,观测器的重构信号能够同时估计出健康参数变化量以及扰动项的大小,实现扰动与部件故障的解耦,从而避免了不确定项对健康参数估计结果的影响。本文建立了民用涡扇发动机包线范围内的线性变参数模型,通过不同故障模式下的数值仿真,并与状态估计器比较,验证了方法的有效性。结果表明,设计的滑模观测器具有小于0.5%的估计误差,有效地提高了气路健康参数的估计速度,增强了对不确定性的鲁棒性。     

基于滑模控制的航空发动机多变量约束管理

针对航空发动机传统单变量线性控制器min-max切换方法处理约束的不足,提出了单变量滑模控制器替换所有线性控制器的改进策略,并将该方法拓展为新切换逻辑下的多变量滑模控制结构。基于改进的单变量滑模控制器min-max结构,多变量控制策略中加入了多变量滑模主控制器和新的切换逻辑,充分利用发动机的所有控制量,克服了传统方法的保守性,进一步提高发动机约束下的动态性能。对稳态时工作的控制器进行了理论分析,建立了多变量控制器实现精确跟踪的充要条件。仿真结果表明,多变量控制方法在更苛刻的约束条件下能够实现跟踪任务,而且提高了推力跟踪的快速性,调节时间从1.91 s缩短到1.54 s,同时降低了稳态时的油耗。     

不确定航空发动机分布式控制系统自适应滑模控制

针对存在参数摄动、外部干扰的航空发动机不确定性分布式控制系统，在系统具有时变输入时延和干扰上界未知的情况下，设计了具有鲁棒性能的自适应滑模控制器。基于预测控制和矩阵奇异值理论，对初始的发动机离散分布式模型进行等效线性变换，得到不显含时延项的规范形系统模型，便于进行滑模面参数的求解；在给定的H∞指标下，推导了滑模运动在非匹配不确定性作用下渐进稳定的充分条件，给出了线性矩阵不等式(LMI)形式的滑模面参数设计方法；最后，设计对干扰具有估计功能的自适应率，在此基础上提出自适应滑模控制器。仿真结果表明:所设计的控制器能够有效降低外部干扰对系统动态性能的影响，在所考虑的不确定性因素作用下，系统的滑模运动具有理想的H∞性能。当外部干扰强度变化时，控制器的鲁棒性较好，状态收敛时间小于0.8s，且不存在抖振。