磁悬浮力矩陀螺内外框架低速高精度控制技术研究

建立了双框架磁悬浮力矩陀螺(DGMSCMG)内外框架伺服系统耦合动力学模型,并针对未知扰动影响的非线性不确定系统,用基于扩张状态观测器(ESO)的扰动力矩估计器获取补偿力矩,在常规的比例积分微分(PID)控制器中通过前馈方式对内外框架进行前馈力矩补偿。仿真结果表明:干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,并提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

考虑通道耦合因素的制导控制一体化设计方法

针对倾斜转弯（Bank-to-turn, BTT）飞行器俯冲段制导与控制系统设计中存在的强耦合、强非线性问题,研究考虑通道耦合因素的制导与控制一体化设计方法。首先建立了考虑控制通道间耦合因素的三维制导与控制一体化设计模型,在模型中引入不确定性因素,采用连续非光滑控制理论对三维块系统设计非光滑扩张状态观测器（Non-smooth extended state observer, NESO）进行观测补偿,然后结合反步法与块动态逆方法设计可以保证有限时间收敛的制导与控制一体化算法,并严格证明了带有扩张状态观测器的级联系统是全局有限时间稳定的。提出的方法适应强耦合BTT飞行器存在扰动情况下的快时变控制需求,通过仿真校验该方法可行、有效。     

高超声速飞行器再入段LQR自抗扰控制方法设计

针对高超声速飞行器(HSV)再入过程中强非线性、强耦合、气动参数变化剧烈的不确定性的特点，提出一种基于线性二次型调节器(LQR)和自抗扰控制(ADRC)的高超声速飞行器再入段的姿态控制方法。首先，建立高超声速飞行器再入段线性化模型，并采用LQR方法完成了状态反馈控制律设计。然后，结合自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器(ESO)对系统的模型不确定性和外部干扰进行补偿，大幅增强了系统的扰动抑制能力。最后，将得到的高超声速飞行器再入段LQR自抗扰姿态控制器(LQRADRC)应用于高超声速飞行器六自由度仿真，仿真结果表明本文所提出的控制方法能够快速、精确地跟踪角位置指令，并且对系统不确定性具有强鲁棒性。     

基于自抗扰控制的BTT导弹自动驾驶仪设计

针对具有非线性、时变、强耦合和不确定性的Have Dash II BTT导弹控制系统,基于自抗扰控制理论,设计了一种新的BTT导弹鲁棒控制器。利用输入输出反馈线性化,将导弹控制系统分解成了3个单输入单输出的二阶子系统,输出变量的选取保证了系统是最小相位系统。采用自抗扰设计方法,估计并补偿系统中的不确定因素和三通道之间的耦合,以实现控制目的。仿真结果表明该BTT导弹驾驶仪具有良好的动态特性和强鲁棒性。     

基于ESO的用户星天线跟踪指向控制技术

基于独特的非线性扩张状态观测器(ESO),提出了一种用户卫星天线跟踪指向控制系统。该系统由程序跟踪内环和自动跟踪外环组成。内环控制器由三阶ESO、线性比例微分控制律和静态解耦律组成。外环控制器为一简单的积分控制器。ESO能够在不依赖天线模型的情况下估计出系统状态和总扰动(称为扩张状态)。利用该扩张状态实现动态反馈补偿,则天线系统被简化为解耦的积分系统。基于ESO设计天线控制系统,无需精确的用户卫星天线模型。仿真结果表明,提出的天线控制系统具有较高的跟踪指向性能和对干扰和不确定性具有较强的鲁棒性。     

基于ESO的高超声速飞行器模糊自适应姿态控制

针对高超声速飞行器再入过程的姿态跟踪要求,提出了基于扩张状态观测器(ESO)的模糊自适应姿态控制策略。在反步法框架下,对于姿态角动态,采用模糊自适应在线逼近耦合不确定性。为减轻计算负担,设计ESO在线观测角速率动态中由于参数摄动和输入扰动引起的综合不确定项。为避免反步控制的"微分爆炸"现象,使用动态面方法设计姿态控制器。基于Lyapunov理论的稳定性分析,证明了闭环控制系统是半全局一致最终有界的。仿真结果表明,该方法对于高超声速飞行器姿态角信号指令具有良好的跟踪性能。     

高超声速飞行器指令滤波反演控制

针对含有不确定扰动项的吸气式高超声速飞行器纵向非线性模型,提出了一种基于指令滤波器的反演控制方法。将飞行器动力学模型划分为航迹角子系统和速度子系统并表示为严格反馈形式,采用动态逆方法设计反演控制中每步的虚拟控制量,并对指令滤波过程中产生的误差进行补偿。利用指令滤波器获取虚拟控制量的一阶导数,解决了反演控制方法中的“微分项膨胀”问题,同时引入虚拟控制量和实际控制量的幅值、速率和带宽约束。采用扩展状态观测器(ESO)对模型中的不确定项进行估计和补偿,保证闭环系统在存在参数不确定和外部扰动的情况下仍具有良好的控制性能。仿真结果表明,在飞行器总体参数和气动参数存在偏差的情况下,该方案能够实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。     

随机扰动下的航天器姿轨保持自抗扰控制

空间飞行器在轨运行过程中除受空间摄动外，还因飞行器任务需要产生随机扰动力和扰动力矩。针对空间飞行器受随机扰动产生的耦合运动控制问题，提出了利用自抗扰方法进行轨道保持和姿态稳定的控制方法。通过引入二阶线性扩展状态观测器，对系统总扰动和状态进行观测。结合PD控制方法结合总扰动前馈补偿，克服空间主要摄动及飞行器本身产生的随机扰动，实现轨道保持和姿态稳定。仿真试验结果表明:该方法可以有效克服总扰动的影响，实现姿轨协同控制。     

BTT滑翔式飞行器鲁棒解耦控制

针对飞行器具有非线性、强耦合、多输入多输出(MIMO)等特点,提出BTT滑翔式飞行器的一种鲁棒解耦控制方法.首先,采用轨迹线性化方法得到飞行器的数学模型并分析了通道间耦合的影响;然后,基于模型分段解耦控制的思想,针对区间模型进行解耦补偿器的求解,并采用定量反馈理论(QFT)进行区间多模型的鲁棒控制器设计;最后对该控制方式进行了稳定性分析及仿真验证,结果表明该方法具有良好的解耦控制效果,且在有外部干扰的情况下,系统能够很快地达到稳定的效果.     

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。     

基于鲁棒滑模观测器的高超声速飞行器双环滑模控制

针对高超声速飞行器非线性动力学系统中存在的高度非线性、多变量耦合及参数不确定等问题,设计了一种基于鲁棒滑模观测器的双环滑模控制方法。该方法首先利用设计的鲁棒滑模观测器在线估计系统的不确定性及未知干扰,在此基础上,通过设计滑模变结构控制器来实现对不确定性的抑制控制,从而实现对制导指令的鲁棒输出跟踪。仿真结果验证了该方法能较理想地估计干扰,保证系统良好的鲁棒性。     

复杂不确定性下多无人机的抗扰时变编队控制

针对存在不确定非线性动态和外部时变干扰的多无人机系统的时变编队问题，提出了基于扩张状态观测器(ESO)的抗扰编队控制方法。首先建立了分布式ESO来估计多无人机系统的不确定性，基于ESO的输出提出了抗扰编队控制律，并提出一套算法来对控制律进行参数选定。然后，通过分析得到基于该控制律下，多无人机系统实现抗扰时变编队所需要的充要条件，并最终严格证明了在满足编队充要条件和基于提出的控制律下，多无人机系统可以稳定实现抗扰时变编队。最后仿真结果表明理论方法的有效性。     

基于ESO的轨迹线性化控制方法及应用

针对先进气动布局飞行器飞行包线大、非线性不确定性强、耦合严重等问题给飞行控制带来的挑战,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的轨迹线性化控制方法,给出了控制器的结构和设计方法,并应用于飞行控制律的设计.仿真结果表明,该方法实现了非线性不确定系统的解耦控制,对系统不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性.     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

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。     

含LESO的高超声速飞行器动态面控制

针对含模型不确定性和外部扰动的高超声速飞行器(HFV)巡航飞行的控制问题,提出一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的动态面控制方法。首先,建立高超声速飞行器的纵向运动模型,并采用非线性动态逆(NDI)技术实现了飞行器速度和高度通道的解耦;其次结合传统反演设计方法,采用基于反双曲正弦函数的跟踪微分器(IHSTD)求取虚拟控制量的微分信号,避免了"微分爆炸"的问题;然后设计了LESO,能够实现对模型不确定项和外部扰动组成的"总和扰动"的精确估计,进而在控制器中动态补偿,大幅增强了系统的扰动抑制能力;最后,采用Lyapunov稳定性理论对所提出的控制方法进行了稳定性分析。本文所提出的控制方法保证了系统的渐近稳定性和较强的鲁棒性,仿真结果校验了本文所设计控制器的有效性。     

耦合混合变量的空间机动飞行器多学科设计优化

针对复杂耦合下的空间机动飞行器(SMV)多学科设计优化(MDO)问题,开展了同时考虑连续-离散混合变量的MDO求解技术研究。考虑空间机动飞行器总体方案设计需求,建立了包括轨道分系统、电源分系统、结构分系统、推进分系统、GNC分系统等多个学科的空间机动飞行器MDO模型;提出了基于变量转化法的混合变量MDO求解策略,将连续-离散混合变量MDO问题转化为普通MDO问题进行优化求解。优化后的空间机动飞行器总质量相比于初始方案降低了18.1%,证明了本文方法的有效性。与将离散变量作为连续变量优化的直接方式对比分析表明,本文提出的基于变量转化法的混合变量MDO求解策略在求解效率和可靠性方面更优。     

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。     

高超声速飞行器姿态角速度的全通道鲁棒镇定方法

根据高超声速飞行器的姿态动力学方程,给出一个可面向姿态角速度镇定的非线性设计模型.针对一类非线性系统,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒动态逆设计方法,并将其应用于高超声速飞行器姿态角速度的渐近镇定中.仿真结果表明,相比传统的动态逆控制方案,本文所提出的控制方案可保证飞行器姿态角速度得到快速镇定,并且具备针对模型不确定和结构干扰力矩的强鲁棒性能.     

UKF在基于修正罗德里格参数的飞行器姿态确定中的应用

UKF是一种新的非线性滤波方法,在状态的时间更新阶段直接使用非线性模型,不引入线性化误差,而且不必计算Jacobi矩阵,相对于扩展卡尔曼滤波(EKF)不仅能提高滤波精度,而且更容易实现。修正的罗德里格参数(MRPs)是一种飞行器姿态参数,相对于四元数姿态参数,用MRPs表示飞行器的姿态时,状态误差方差不会产生奇异性,并且能在一定程度上减小估计的计算量。本文针对MRPs表示的无陀螺飞行器姿态系统,利用UKF设计了姿态估计器,并通过仿真验证了算法的有效性。