基于模型参考自适应的高超声速飞行器容错控制

针对执行机构部分失效情况下高超声速飞行器控制器的设计问题,提出了一种模型参考自适应容错控制设计方案。依据线性化的高超声速飞行器名义模型,设计名义反馈控制增益,并确定一个可保证自适应控制安全的参考模型,然后设计自适应补偿控制器消除执行机构控制效益及系统参数不确定性的影响。提出的自适应参数估计律由滤波的误差信号和特别设计的预测误差信号驱动,可实现更好的参数估计。该方案能保证闭环系统的稳定性,并能保证执行机构部分失效及系统参数不确定情况下的控制性能。仿真结果验证了该控制方法的有效性,在执行机构部分失效情况下,控制系统实现了良好的跟踪性能。     

基于代理模型的气动设计稳健优化方法

为了减少不确定分析的计算量,提出了一种基于代理模型的不确定性气动设计优化方法,其中代理模型主要用于简化不确定分析计算过程.运用拉丁方试验设计和Krig-ing建立了代理模型,用随机参数来表示尺寸误差和飞行条件的变化.基于代理模型,以蒙特卡洛模拟法作为不确定分析方法,求解气动性能的均值和方差.在此基础上定义了气动稳健优化问题的表达式,用遗传算法进行求解,并以某翼型的优化问题对该方法进行验证.结果表明,通过该方法得到的最优解对不确定性的敏感度大大减小,同时在不确定的情况下仍然能满足设计约束条件.     

等离子体气动激励的诱导气流速度的实验研究(英文)

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的主动流动控制,可用于改善飞行器和动力装置空气动力特性.为了探索等离子体流动控制的内在机理,在不同的参数条件下,对等离子体气动激励的诱导气流速度进行了实验研究.实验结果表明:等离子体气动激励可以把激励器表面空气加速到每秒几米的速度,诱导气流与激励器表面有一个约5°的夹角,且气流经加速后会形成漩涡结构.固定激励频率,诱导气流速度随激励电压增大而增大;固定激励电压,诱导气流速度受激励频率的影响不大;激励器布局对等离子体气动激励器的性能有重要影响.     

不确定非线性系统的鲁棒输出跟踪

研究了一类具有参数不确定性和外界干扰的仿射非线性系统鲁棒输出跟踪控制问题。首先利用微分几何理论中的输入输出反馈线性化技术钭不确定线性系统通过一非线性状态变换化为线性化规范形，然后利用变结构控制的思想提出了一种基于标称系统和不确定性范数界的鲁棒输出跟踪控制器设计方案，并用李雅普诺夫稳定性理论证明了利用本文设计的跟踪控制器可保证闭环系统是有界稳定的，且稳态输出跟踪误差为零。由于所设计的跟踪控制律连续，克服了常规变结构控制方案可能引起的高频抖振现象。将本文结论应用于一空间飞行器的姿态跟踪控制问题，仿结果表明了该设计方法的有效性。     

基于区域极点配置的不确定线性系统可靠跟踪控制

针对一类不确定性不满足匹配条件的不确定线性系统．提出了考虑执行器故障的可靠跟踪控制器的设计方法。在更一般、更实际的执行器故障模型的基础上,根据区域极点配置理论．给出了系统输出信号渐近跟踪参考输入信号的可靠跟踪控制器存在的充分条件。通过求解线性矩阵不等式(LMI)完成状态反馈可靠控制器的设计．从而使系统的输出信号不仅能稳定地跟踪参考输入信号．而且能满足要求的动态特性。最后,利用仿真实例验证了本文设计方法的可行性。     

执行器卡死并失效的航天器姿态稳定控制

考虑挠性航天器执行器卡死与部分失效故障下的姿态控制问题,提出了一种滑模容错控制法。该方法采用自适应技术在线估计系统不确定参数,且该控制器的设计不需要任何在线或离线的故障信息,能够完全独立于地面站的支持。基于Lyapunov方法从理论上证明了该控制器不但能够有效地处理执行器故障,而且保证了闭环系统的全局渐近稳定,实现对姿态的高精度控制。最后将该方法应用于某型挠性航天器的姿态稳定任务中,仿真结果验证了该方法的有效性。     

Nonlinear Control Method for Hypersonic Vehicle Based on Double Power Reaching Law of Sliding Mode

The intelligence nonlinear control scheme via double power reaching law based sliding mode control method is proposed to solve the problems of model uncertainties and unknown outside disturbances.Firstly,the aerodynamic parameters of the morphing vehicle are replaced with curve-fitted approximation to build the accurate model for control design in the hypersonic flight.Then the nonlinear vehicle model is transformed into the strict feedback multi-input/multi-output nonlinear system by using the input-output feedback linearization approach.At the same time,the disturbance observer is used to approximate the unknown disturbance,and the sliding mode method is used to solve the problem of non-matching and uncertainty.Finally,according to the buffeting problem in sliding mode control,the double power is improved.Simulation results show that the proposed method can ensure the global stability of the closed-loop system,and has good tracking and robust performance.     

基于鲁棒自适应控制策略的混合型步进电机低速伺服控制性能

针对混合型步进电机低速运行状态下脉动转矩较大的特点,应用鲁棒自适应控制策略来设计其低速伺服控制器,以实现高精度的跟踪控制性能.首先,根据混合型步进电机转矩形成的机理,揭示了其固有的脉动转矩对低速运动控制产生不利影响的动力学特征,并将它归结为两种结构不确定性,便于控制器的设计;其次,采取标准的自适应控制及其鲁棒化设计思想,借助于μ-修整策略来实现相应的控制律,确保脉动转矩的最大化补偿及伺服系统低速跟踪控制满足高性能的要求;最后对所建立的低速跟踪控制系统的性能进行了试验评估,并与作者前期的工作进行了比较,试验结果验证了其有效性与可行性.     

翼型尾缘低频大功率合成射流的动态载荷特性研究——A:实验方案设计

为了获得翼型在尾缘合成射流作用下的气动特性,针对 NACA0015翼型,设计了适用于风洞研究的尾缘合成射流实验,设计内容包括实验模型的设计,低频大功率合成射流致动器的设计,以及测量方案的设计。该实验方案在伺服电机达到适当转速时,合成射流器能够达到较好的吹/吸气效果。通过调节地面气缸的行程和电机的工作频率,可以实现对喷口速度、频率等参数的调节,为研究合成射流动量系数和减缩频率对气动力和力矩的影响规律提供了便利。针对二元实验段,采用自行设计的二分量应变天平测量动态升力和力矩。该实验模型在二元风洞中顺利开展了相关实验研究。研究结果显示,当合成射流频率为3Hz 时,升力系数的幅值约为0.16。因此,尾缘低频大功率合成射流可以使翼型获得较大的用于控制气动弹性的控制力。这种新型作动方式为未来飞行器气动弹性稳定性控制提供了一种新途径。     

Adaptive Angular Velocity Tracking Control of Spacecraft with Dynamic Uncertainties

The tracking of orientation and angular velocity is a primary attitude control task for an on-orbit space- craft. The problem for a rigid spacecraft tracking a desired angular velocity profile is addressed using an adaptive feedback control. An angular velocity feedback tracking algorithm is firstly developed based on the precisely known attitude dynamics of the spacecraft, and the global tracking of the control algorithm is proved based on the Lya- punov analysis. An adaptation mechanism is then designed to deal with the dynamic uncertainties of the spacecraft. Such an adaptation mechanism enables the controller to track any desired angular velocity trajectories even in the presence of uncertain inertia parameters, although it does not guarantee the inertia tensor being precisely identified. To verify the effectiveness of the proposed adaptive control policy, computer simulations on dynamic equations of a spacecraft are conducted and their results are discussed.     

改善测试转台速率平稳性的鲁棒重复控制

提出一种鲁棒重复控制方法用来提高无刷直流电机驱动测试转台的速率平稳性.该方法以互补的方式综合了变结构控制律和重复控制律.变结构控制律可以有效地镇定系统,并抑制非周期性扰动和噪声等不确定性因素,同时保证了重复学习过程的收敛性;而重复控制律可以进一步消除稳态时存在的速率波动.本文讨论了一般的非线性系统模型.该模型可看作是无刷直流电机数学模型的扩展.Lyapunov直接法证明了闭环系统的全局稳定性和跟踪误差的渐近收敛性.仿真结果表明,该鲁棒重复控制方法明显地改善了测试转台速率系统的平稳性.     

基于速度和加速度约束的有限控制能力路径跟踪

在考虑实际系统有限控制能力的情况下,对非完整移动机器人提出一种完全满足速度和加速度约束的路径跟踪技术。根据系统状态方程分析了移动机器人维持无偏差跟踪状态的条件,先通过智能预测控制将路径偏差转化为同号状态,再应用滚动时域控制和约束条件设计一种改进型最优预测控制器。当路径跟踪开始时,控制量从零初值调整;当路径偏差同步消除到零时,控制量可在速度和加速度约束下及时调整到零。仿真结果验证了所提技术的有效性,有限控制能力使该技术在工程应用时具有更好的可行性和适应性。     

An Improved Nonlinear Dynamic Inversion Method for Altitude and Attitude Control of Nano Quad-Rotors under Persistent Uncertainties

Nonlinear dynamic inversion(NDI)has been applied to the control law design of quad-rotors mainly thanks to its good robustness and simplicity of parameter tuning.However,the weakness of relying on accurate model greatly restrains its application on quad-rotors,especially nano quad-rotors(NQRs).NQRs are easy to be influenced by uncertainties such as model uncertainties(mainly from complicated aerodynamic interferences,strong coupling in roll-pitch-yaw channels and inaccurate aerodynamic prediction of rotors)and external uncertainties(mainly from winds or gusts),particularly persistent ones.Therefore,developing accurate model for altitude and attitude control of NQRs is difficult.To solve this problem,in this paper,an improved nonlinear dynamic inversion(INDI)method is developed,which can reject the above-mentioned uncertainties by estimating them and then counteracting in real time using linear extended state observer(LESO).Comparison with the traditional NDI(TNDI)method was carried out numerically,and the results show that,in coping with persistent uncertainties,the INDI-based method presents significant superiority.     

多模型直接自适应执行器故障补偿控制系统

为了更快更好地补偿执行器故障带来的不确定性,发展了一种新的多模型自适应执行器故障补偿控制系统设计方法。首先,分析所有可能的执行器故障模式,得到故障模式集。再针对每一种故障模式,分别进行控制器设计,控制器设计时采用直接模型参考自适应执行器故障补偿控制方法进行设计。然后根据参数估计误差分别计算每种故障模式下系统的性能损失函数,选择性能损失最小的子系统对应的控制器作为当前的全局控制器。最后以飞行控制系统为例进行了仿真,仿真结果表明,所设计的多模型直接自适应执行器故障补偿系统闭环稳定,且有良好的跟踪性能。     

基于降维UIO的飞控系统鲁棒故障诊断

针对同时存在对象矩阵参数的摄动、外界扰动和故障的一类线性系统,基于降维的未知输入观测器(Un-known input observer,UIO)技术对飞控系统执行器故障进行诊断,使得系统对矩阵参数摄动和外界干扰具有良好的鲁棒性.该诊断方法把原系统分解为两个子系统,一个子系统受故障的影响,而另外一个子系统不受故障的影响,但状态可测.这样,不但大大降低了计算量,而且保证了故障诊断的快速性和准确性.     

基于等离子体合成射流的飞翼布局模型主动流动控制风洞实验研究

为探究等离子体合成射流对三维模型的流动控制效果和机理，在中等展弦比飞翼布局模型前缘布置等离子体合成射流激励器开展低速风洞实验研究。通过六分量天平测力，考察沿弦向、展向不同分布位置的等离子体合成射流对飞翼模型气动力和气动力矩的作用；采用PIV（Particle Image Velocimetry，粒子图像测速）测量模型表面流场分布，研究等离子体合成射流流动控制机理。结果表明:在飞翼模型单侧布置等离子体合成射流，能够有效改善其气动特性，并能产生附加的滚转力矩，滚转力矩系数变化量最高达到0.009；在飞翼模型左右弦布置等离子体合成射流，能显著增强飞翼模型横向稳定性，滚转力矩系数波动范围减小66.7%。沿弦向，等离子体合成射流位置离前缘越近，控制效果越好，距前缘0mm的激励器控制效果最好；沿展向，布置的等离子体合成射流越多，对模型的升力特性改善作用越明显，布置方式以均布为优。在失速迎角前后，等离子体合成射流的流动控制机理不同:在小迎角下，等离子体合成射流在前缘起到了使转捩提前的作用；在失速迎角附近，则加速了分离区的流动、减小了分离区厚度。     

振幅对流线型箱梁自激气动力的影响

研究了强迫振动振幅对流线型箱梁断面自激气动力的影响。采用1:70的刚性节段模型开展了测压试验，获得了不同迎角的模型断面在不同振幅下的气动压力和分布，探讨了气动力特性。试验中的扭转振幅范围为2°~16°，竖向振幅范围为5~23mm，来流迎角分别为0°和±5°。测试结果表明，在迎角α=0°条件下，当扭转振幅A_t ≤8°，或竖向约化振幅A_v/D≤0.46时，自激气动力的线性谐波占整体气动力的比例在95%以上，没有明显的高次谐波分量。当扭转振幅A_t > 8°，来流迎角为+5°时，自激气动力的线性谐波比例可降低到75%，高次谐波的比例可达到25%。扭转振幅对颤振导数A₂*、A₃*、H₂*均存在显著的影响，但竖向振幅仅对H₄*存在一定的影响。由此得出，尽管颤振导数随振幅的改变是非线性的，但在一定条件下（如8°扭转角以内），气动力本身不含有明显的高次谐波分量。     

一种基于遗传算法的机器人补偿学习控制方法

机器人建模的不精确性以及一些扰动的存在给机器人控制增加了相当大的难度。针时这一问题，本文以PUMA560机器人为被控对象，给出了一种PUMA560机器人动力学模型的简化形式，采用PD控制的计算力矩法，得到了机器人的闭环动态误差方程，在此基础上设计了机器人的控制器结构，提出了一种新的基于遗传算法(Genetic algorithm，GA)的机器人补偿学习控制方法。将GA与计算力矩法相结合，利用进化学习来消除机器人中不确定因素的影响，实现时机器人轨迹跟踪的良好控制。最后给出了这种控制的仿真结果，验证了该方法的有效性。     

Disturbance Rejection Adaptive Control for Atmospheric Effects on Aircraft

Disturbance rejection algorithm based on model reference adaptive control(MRAC)augmentation is investigated for uncertain turbulence disturbances.A stable adaptive control scheme is developed based on lower diagonal upper(LDU)decomposition of the high frequency gain matrix,which ensures closed-loop stability and asymptotic output tracking.Under the proposed control techniques,the bounded stability is achieved and the controller is able to remain within tight bounds on the matched and unmatched uncertainties.Finally,simulation studies of a linearized lateral-directional dynamics model are conducted to demonstrate the performance of the adaptive scheme.     

大机动飞行中孤立旋翼的非定常空气动力模型

为提高旋翼他轴响应的预测,气动模型应当计入机动旋翼的尾迹畸变效应,而准确表示尾迹弯曲参数Kn是关键。为表达机动导致的各种效应,增广Peters-He有限状态尾迹模型可以吸收随飞行状态变化的Kn值。根据烟流实验,该参数随旋翼前飞速度、拉力和机动角速率而变化。旋翼的空气动力实验表明,旋翼轴接受准阶跃输入后,同轴及他轴的空气动力响应有过冲,且俯仰速率愈大,过冲幅值愈大。理论和实验结果的对比显示,为了正确计算机动飞行中的旋翼气动力,特别是操纵的他轴响应,应在模型中采用随状态变化的尾迹弯曲参数Kn。此外,在当前模型基础上联合动态尾迹畸变模型,计算出的旋翼力和力矩更接近试验数据。