飞行器控制的伪线性系统方法——第一部分：综述与问题

首先将非线性控制方法归纳成三类：基于李雅普诺夫泛函的设计方法、基于最优控制思想的设计方法和以线性为主导的设计方法，并对此三类方法进行了简略的综述。然后进一步在此类划分的框架下概述了飞行器控制的非线性方法，并引入了伪线性系统的概念。最后介绍了卫星姿态与轨道控制、飞行器制导与控制中的六类典型飞行器控制问题的二阶伪线性系统描述。     

非线性黄金分割自适应控制

针对参数未知，高阶定常线性系统和一类复杂的非线性系统，为设计低阶控制器，并能满足不同系统的过渡过程要求。在线性黄金分割自适应控制方法的基础上，本文提出了一种新的非线性黄金分割自适应控制方法。文章首先简单介绍了被控对象的特征模型，接着重点介绍了这种控制方法的设计原理和特点。当系统能用二阶幔时变差分方程形式的简化特征模型描述时，可以证明由非线性黄金分割自适应控制器组成的闭环系统是稳定的。最后通过典型实例的仿真验证了非线性黄金自适应控制方法的有效性和优越性。     

基于改进PEA的日地L2平动点编队飞行高精度位置保持

针对日地L2平动点相对运动拟线性变参数(QLPV)动力学模型,提出一种改进的多项式特征结构配置(PEA)方法实现日地L2平动点编队飞行高精度相对位置保持.建立日地L2平动点编队飞行相对运动QLPV动力学模型,将基于线性时不变系统(LTI)的PEA方法进行改进,设计参数/状态变化的控制方法来获取闭环系统设计传递函数,与期望传递函数进行类似于线性系统的条件匹配,获得含时变参数和状态的多项式控制器,确保系统在参数和状态变化时能保持控制系统性能不变.在进行多输入多输出(MIMO)系统的算法设计时,将系统期望传递函数设为解耦形式,实现飞行器三轴位置间的解耦控制,以确保系统的控制精度.考虑到拟线性变参数系统与传统线性系统的不同,对拟线性变参数闭环系统的稳定性进行分析.最后进行了相应的数学仿真验证算法的可行性和有效性.     

卫星编队飞行的无速度测量非线性鲁棒控制

本文基于带有界干扰的线性动力学模型，研究了卫星编队飞行中的相对位置控制问题。首先，在线性二次型最优控制的基础上，设计了一种非线性控制律，并使用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。接着，通过对线性系统状态观测器进行改进，得到了一种非线性速度观测器，观测误差被证明是渐近收敛的。观测器与控制律的结合实现了无速度测量的控制，闭环系统被证明是渐近稳定的。文末的数值仿真验证了理论分析。     

黄金分割自适应鲁棒控制器设计新方法

本文在全系数自适应控制理论基础上,给出了一种实用的黄金分割自适应鲁棒控制器的设计方法及理论分析。对于参数未知、线性定常或慢变的二阶对象,只要参数估计值在一个范围内,该控制器就能保证闭环系统稳定,且系统输出的动态性能较好。从而解决了二阶系统自适应控制在初始过渡过程阶段的实际应用问题。     

基于非线性动态逆方法的TF/TA控制器设计

为了增强巡航导弹的低空突防能力，应用非线性动态逆原理设计了具有纵向和侧向解耦能力的TF／TA控制器。这种方法利用了反馈线性化理论，研究通过非线性反馈或动态补偿的方法，将非线性系统变换为线性系统(伪线性系统)，然后再按线性系统理论完成系统的各种控制目标设计。由于巡航导弹模型的复杂非线性，本文提出了一种简化方法。针对其各状态变量的时间响应特性不同，采取了分阶控制的方法，将TF／TA控制器分解为内环、中环和外环三层分别设计，这样大大简化了控制器设计的复杂性。最后以某巡航弹为例进行了全系统仿真，仿真结果表明，用非线性动态逆方法设计的TF／TA控制器具有良好的纵侧向解耦能力和快速响应能力。导弹能够准确地跟踪地形轮廓飞行，而且可以有效地绕过地形中的相对高处，并且系统对参数摄动具有一定的鲁棒性。     

基于PEA的椭圆轨道航天器编队飞行高精度位置保持

针对航天器编队飞行时相对位置保持精度要求高的特点,采用基于线性变参数模型的多项式特征结构配置方法设计椭圆轨道航天器间相对位置控制算法。对于线性变参数控制系统,本文将基于线性定常系统的多项式特征结构配置方法推广以确保系统性能与变化参数间的独立性。在特征结构配置时,先设计带参数变化的控制器结构后计算出带未知控制器增益的设计闭环传递函数,接着将其与含有闭环系统性能的期望传递函数在三个条件下进行匹配,进而获得未知控制器增益的表达式。在设计实际控制椭圆轨道编队飞行MIMO相对位置保持算法时,将系统期望传递函数设为解耦形式来实现三轴位置控制间的解耦控制,达到提高系统控制性能的目的。最后进行相应的数学仿真,其结果表明该算法能够保证系统的高精度位置保持要求。     

类二次型最优控制方法在自主对接控制中的应用研究

针对参数已知的线性定常二阶系统，本文给出了直接求解Riccati方程的方法，并在此基础上，将方法得到的结果应用到参数未知的线性定常或慢时变系统中，使用估计参数直接求出反馈增益矩阵，提出了一种类二次型最优控制方法，并证明了该闭环慢时变系统的稳定性。     

基于神经网络的BTT导弹逆控制方案设计

对基于神经网络的倾斜转弯(BTT)导弹逆控制进行了研究。用径向基函数(RBF)神经网络结构和最近邻聚类算法,对导弹系统逆动力学系统进行动态模型辨识,以辨识模型为控制器与BTT导弹控制系统串联构成动态伪线性系统;用逆系统法设计了一种用于BTT导弹非线性控制的经典控制与神经网络在线自学习综合控制方案,实现了导弹三通道的线性化控制和输出的渐近无差跟踪。仿真结果表明:该方案可根据设计指标要求实现对BTT导弹的非线性控制,且有较强的鲁棒性。     

基于特征模型的全系数自适应控制系统稳定性研究

讨论了基于特征模型的黄金分割加逻辑微分自适应控制律组成闭环系统的稳定性问题。针对参数未知、线性定常或慢时变的二阶不稳定对象,本文给出了在采样周期满足一定条件下,上述闭环系统渐近稳定的充分条件,其中包含对于时变参数变化范围和非线性阻尼系数的约束条件。     

一种非仿射高超声速飞行器姿态系统控制方法

针对非仿射高超声速飞行器姿态控制问题，提出了一种基于反步法的非线性控制方法。首先，通过干扰观测器估计攻角动态中的扰动量，在此基础上设计了俯仰角速度虚拟控制指令。然后，针对含有非仿射项的参数不确定的俯仰角速度动态函数，将其视为一个扩张状态，通过状态观测器对其进行估计。接着，基于动态逆方法设计了升降襟副翼的控制律并基于李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。采用指令滤波器避免反步法应用中虚拟控制指令微分项的“复杂性爆炸”问题，并得到虚拟控制指令的一阶和二阶导数信号。所提方法能够适用于变速变高飞行模式。最后，通过对比仿真实验，验证了所设计控制方法的有效性。     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

基于RBF神经网络及Luenberger观测器的反演设计

针对高超声速飞行器部分状态发生不可测量问题,提出基于观测器的系统控制器设计。将所设计的被观测系统在某平衡点处线性化,用Luenberger观测器理论设计观测器增益,得到渐近收敛于系统真实状态的状态观测值。采用状态观测器与控制器分开设计的方法,应用反演控制技术,引入指令滤波器,使得伪控制量的导数可以轻易获得,简化了设计。针对系统中存在高频未建模动态,采用RBF神经网络对其进行逼近,以增强系统的跟踪性能。利用Lyapunove稳定性理论保证闭环系统有界且跟踪误差收敛于原点附近的小邻域内。通过在六自由度模型上的仿真,表明了所提方法的可行性与有效性。     

逆系统方法在航天器姿态控制系统中的应用

微分几何方法是非线性控制的传统方法 ,但该方法比较抽象 ,且使用过程中计算繁琐。作为多变量非线性控制的新理论 ,逆系统方法通过研究和引入逆系统理论中的一些概念和结果 ,如α阶积分逆、伪线性系统等 ,来形成非线性系统的反馈线性化。它具有物理概念清晰、适用面宽、应用简便的优点。本文首先介绍了逆系统方法的基本思想 ,然后将其用于航天器非线性姿态控制系统的设计中。仿真结果表明 ,航天器的姿态角以较高的精度快速跟踪目标值 ,最终偏差满足要求 ,系统性能良好。     

五轴控制型磁轴承动力学与控制

本文以五轴控制型磁轴承为研究对象，简要地介绍了它的工作原理，并给出了它的动力学方程。应用经典控制理论的设计方法建立了闭环控制系统，分析了它的稳定性，并通过计算机仿真给出了各自由度的阶跃响应曲线。     

二维系统一般模型的正实控制

本文研究的是二维系统一般模型的正实控制。本文的目的是针对该模型,设计一个状态反馈控制器,使得闭环系统是稳定的并且闭环传递函数是延展严格正实的,所得到的解是通过线性矩阵不等式给出,通过解决该线性矩阵不等式可获得期待的状态反馈控制器。最后,我们提供了一个数值算例来验证提到方法的有效性。     

基于混合H2H∞的集成故障诊断与容错控制研究

研究了一类线性不确定系统的集成故障诊断与容错控制。针对执行机构和敏感器故障，考虑故障诊断结果的不确定性与系统参数的不确定性，分别采用H2和H∞范数作为系统故障诊断和容错控制的性能指标，设计输出反馈混合H2/H∞控制律，运用线性矩阵不等式（LMI）方法求解集成故障诊断与容错控制问题。最后，建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证，仿真结果验证了方法的有效性。     

一种三回路过载自动驾驶仪设计方法

从三回路过载驾驶仪的模型出发，给出形式统一的系统开环传函、闭环传函及闭环特征方程，然后依据闭环传函确定系统控制增益与闭环极点、开环截止频率的关系。通过引入舵偏角速度约束、开环截止频率约束、稳定裕度指标约束及高频部件约束，进而给出最小化闭环系统等效时间常数的目标函数。形成典型的约束条件下参数寻优范式，通过求解系统最优解，实现系统开环截止频率、相位裕度的精确设计，形成一种可工程化的极点配置设计方法，算例检验了方法的有效性。     

电子设备结构“解耦设计”理论及方法

文章运用结构动力修改的方法对电子设备的动力响应进行控制,即通过修改电子设备中机壳与电路板组件两部分的基频（指同一方向的基频,尤其是垂直于电路板方向）,使两者的基频相互错开来降低电路板组件的动力响应。采用两自由度基础强迫振动系统来模拟电子设备的振动响应,经分析给出了“非解耦系统”与“解耦系统”的概念,指出应将电子设备设计为“解耦系统”。最后对两自由度系统进行“分解”分析,给出了电子设备的“解耦设计”方法。     

Lyapunov方法在姿态机动控制律设计中的应用

采用Lyapunov方法设计了独立于模型的标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律,从理论上分析和证明了在该控制律作用下的闭环系统是全局渐进稳定的;在Matlab环境下对不同条件和不同形式的控制律进行了仿真,给出了不同控制律下的控制系统性能指标,仿真结果表明设计的控制律对模型参数摄动和外界干扰具有较好的鲁棒性.