飞行器控制的伪线性系统方法——第二部分：方法与展望

针对第一部分提出的六类典型飞行器控制问题的共性伪线性系统模型，介绍了二阶伪线性系统的直接参数化设计方法：通过设计伪线性状态反馈控制律，可使闭环系统化为一个具有指定特征结构的二阶线性定常系统，并提供了控制系统设计中的所有自由度。另外，还以希望的闭环向量结构要求、闭环系统的干扰抑制要求和最小闭环特征值灵敏度要求为例，展示了通过综合优化设计自由度来实现控制系统的多目标设计思想。最后展望了伪线性系统理论的发展前景。     

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。     

基于动态逆的高超声速飞行器高度控制方法

针对通用高超声速飞行器的非线性模型,提出了一种高度控制方法。基于动态逆理论,通过输入输出反馈线性化把非线性模型转换为等价线性系统;然后为等价线性系统设计跟踪控制器,并基于遗传算法优化控制参数。仿真表明,该方法能够提供满意的精度和鲁棒性。     

登月飞行器软着陆的非线性最优控制

主要考虑登月飞行器软着陆控制的问题。制导律和控制器的设计分两步完成。首先，利用一个微分同胚变换和一个非线性输入补偿，可以将登月飞行器的非线性动态模型转换成一个线性系统。然后利用经典最优控制理论中的由拉方程，标准最优制导律的解析解既可给出。第二步，利用日。控制理论，我们设计了一个最优反馈控制器保证了实际系统可以鲁棒渐进追踪最优标准轨道。最后通过仿真，可以看出飞行器实现了软着陆控制，着月速度小于给定值，说明方法的可行性和有效性。     

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

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。     

空间飞行器动力学模型的动态反馈线性化

本文研究了空间飞行器非线性动力学模型的线性化问题，利用微分几何方法和反馈线性化理论，本文证明了推力方向相对体系不变，即受有“常方向推力”作用限制的空间飞行器的轨道－姿态耦合非线性动力学模型可用二阶动态补偿器／增广状态反馈／增广状态微分同胚变换实现精确线性化，提出了飞行器动态反馈线性化的分步算法，并给出了实现线性化的状态反馈／微分同胚的具体形式，从而将飞行器控制系统设计问题转化为线性系统问题。     

空天飞行器再入制导的预测控制

研究了空天飞行器的再人制导预测律的设计问题。根据飞行器再人飞行所受的约束条件确定再人参考轨迹，设计非线性预测控制控制律使得飞行器跟踪参考轨迹，通过在性能指标中加入末端项，以及基于末端项设计局部非线性控制律来保证非线性预测控制律的稳定性。最后给出的仿真实例表明了本文所设计的控制律具有较好的跟踪性能。     

基于神经网络的飞行器抗饱和自适应控制

针对传统自适应控制在飞行器作动器具有幅值饱和与速率饱和的情况下难以实现良好飞行控制的问题,提出了一种基于神经网络与伪控制隔离的飞行器抗饱和自适应控制方法.首先根据模型参考自适应控制理论,结合动态逆与神经网络自适应方法,分析了系统的模型跟踪误差动力特征,并考虑飞行器具有参数不确定和未建模误差等动态逆误差,设计了在线神经网...     

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

近空间高超声速飞行器输入饱和抑制模糊自适应控制

针对近空间高超声速飞行器三通道姿态跟踪控制问题，提出了一种基于输入饱和抑制的非线性模糊自适应滑模控制器。考虑到飞行器模型具有严格反馈形式的特点，以反步法为基础，结合非奇异快速Terminal滑模方法设计控制器。设计了模糊系统估计模型中的干扰项，并通过自适应鲁棒项补偿估计误差，引入非线性增益函数提高控制系统的饱和抑制能力，并基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。最后，通过仿真对比实验验证方法的有效性。仿真结果表明，所设计的控制器能够保证飞行控制系统在存在模型参数不确定性的情况下具有良好的姿态跟踪性能和输入饱和抑制能力。     

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。     

高超声速飞行器Terminal滑模控制系统设计

针对高超声速飞行器模型的强非线性、快时变、强耦合和强不确定性,提出了基于动态逆和Terminal滑模控制的制导/姿控一体化设计方法.该方法将动态逆控制的非线性解耦能力与Terminal滑模控制的强鲁棒性有机结合,实现了模型的反馈线性化和多通道解耦,保证高超声速飞行器在存在参数不确定性和外界干扰的条件下实现稳定飞行.仿真结果表明该控制方法对高超声速飞行器是可行的.     

基于鲁棒动态逆的高超声速滑翔飞行器动态面姿态控制

针对高超声速滑翔飞行器参数变化快、不确定性高、通道耦合强的特点,研究了一种姿态控制的非线性设计方法。根据无动力飞行姿态运动模型,建立了可面向姿态控制的非线性设计模型。提出了一种具有鲁棒性能的动态逆控制方案,并通过动态面控制方法,将其应用于滑翔飞行器的姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的控制方案,所提出的方案可以保证滑翔飞行器快速、精确地跟踪指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

挠性飞行器的脉冲调制控制

三轴稳定控制是大挠性飞行器有效和重要的姿态控制方式，喷嘴控制是实现三轴稳定控制的手段之一。本文针对伪速率调制器（ＰＳＲＭ）和脉冲调宽调频调制器（ＰＷＰＦＭ），采用非线性脉冲调制器线性化和描述函数两种方法来分析大挠性航天飞行器的姿态稳定性问题，并对某型卫星的远地点点火姿态控制系统进行了分析和仿真。     

远程操控飞行器自适应神经网络观测器设计

针对无人飞行器远程操控系统设计时，由于远程操控飞行器动力学的非线性和飞行器控制系统性能的不确定性，无法精确建立远程操控飞行器控制系统模型的问题，提出了一种自适应神经网络状态观测器设计方法实现对远程操控飞行器的控制系统模型的估计。首先将飞行器的动力学环节与自动驾驶仪构成的闭环回路作为一个整体建立了远程操控飞行器控制系统的非线性模型。然后针对模型中存在未建模动态的问题，采用神经网络算法对非线性动力学模型进行在线辨识，并引入鲁棒项对附加扰动进行抑制。最后设计自适应律对神经网络的权值进行实时调整，保证了系统的稳定性，并基于Lyapunov理论证明了观测器的估计误差是最终一致有界的。仿真结果表明，所设计的观测器能够保证远程操控飞行器在存在未建模动态和附加扰动的情况下对飞行状态具有良好的估计性能。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

飞行器姿态的一种鲁棒自适应模糊解耦控制

飞行器姿态系统具有非线性、强耦合、多输入多输出(MIMO)的特点。本文针对飞行器姿态模型的非线性和不确定性，提出鲁棒自适应模糊解耦控制方法，对飞行姿态进行机动控制。首先，设计基于精确反馈线性化的模糊解耦控制环节。针对模糊逼近所带来的误差以及外部干扰项，采用H∞鲁棒补偿控制方法，使误差干扰项对系统的影响最小。为充分利用有限的模糊规则，采用非线性可调参数模糊模型。模糊参数的自适应调节律由李雅普诺夫综合法得到。数学仿真表明，该控制方案对于空间飞行器姿态系统中的非线性和参数不确定性具有较强的适应能力。     

考虑约束的高超声速飞行器制导与控制一体化设计

针对高超声速飞行器上升段飞行过程中强耦合、强非线性同时要求满足过程约束的特点，提出了一种结合级联控制方法和控制障碍函数的新型三维制导控制一体化算法。首先通过对速度子系统设计控制障碍函数约束算法来满足飞行器的过程约束要求，然后利用反步法、动态逆控制方法设计其余子系统的控制器，两者共同组成制导控制一体化控制器。考虑到飞行器在上升过程中容易遭遇阵风扰动的问题，设计非线性干扰观测器以增强算法的鲁棒性。最后通过李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性，并且通过仿真验证了该新算法能够在满足高超声速飞行器上升段过程约束的同时，实现飞行器的三维跟踪控制。     

欠驱动VTOL飞行器非线性信息融合控制

针对垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)飞行器在悬停模型下的控制问题,提出了一种非线性信息融合控制方法。首先通过可逆非线性变换引入新的控制量,实现对VTOL飞行器横向运动和垂向运动的解耦,然后利用非线性信息融合估计定理融合飞行器的期望跟踪轨迹和控制能量的软约束信息,以及状态方程和输出方程的硬约束信息,获得关于飞行器控制量的最优估计。信息融合控制方法基于被控对象的离散模型设计,具有易于实现的特点。仿真结果表明,非线性信息融合算法具有良好的控制效果。