非线性导弹控制执行机构动态特性补偿

本文叙述了在非线性导弹控制中执行机构动态特性补偿的一种方法，通常在非线性导弹控制中不考虑执行机构的动态特性问题，因此，在非线性导弹控制中，我们分析执行机构动态特性影响，同时在整个系统中寻找潜在的不稳定的二阶执行机构动态特性的危险因素，所以为了适应执行机构动态特性影响因素，假设一个补偿器，它的非线性控制输入和执行舵偏转信号结合在一起，对含有执行机构动态特性的假设控制系统，进行特性和稳定性分析。     

考虑输入饱和的制导控制一体化设计

高超声速飞行器俯冲时具有快时变特性,执行机构限于物理约束极易导致控制输入达到饱和,针对该问题提出考虑输入饱和约束的制导与控制一体化设计方法。首先,建立纵向制导与控制一体化设计模型,采用干扰观测器对系统不确定性进行估计补偿,然后结合加幂积分方法与嵌套饱和方法设计了新的制导控制一体化非线性控制律。通过严格的理论分析证明了带有饱和约束的控制器可令系统状态全局有限时间稳定,由于控制律中的虚拟控制量均考虑了饱和约束,做到了全局协调抗饱和,从而可更充分地利用飞行器控制能力去实现精准控制。数值仿真实例验证了提出方法的有效性及鲁棒性。     

干扰和执行器故障系统的自适应神经网络控制

针对一类存在未知外部扰动和执行器故障的过驱飞行器系统的控制问题,提出了一种非线性自适应控制方案。在自适应控制方案中,设计了神经网络补偿算法逼近未知干扰项来消除环境干扰对系统的影响,提高了系统的鲁棒性。同时,控制律的输出作为控制分配器的输入,设计自适应控制分配算法来补偿执行器故障或输入饱和,从而提高了系统的稳定性和操作性,并利用李亚普诺夫稳定理论证明了所设计的控制系统能使误差系统最终一致渐近有界。最后,给出了一个数值仿真算例,验证了控制方法的有效性。     

滚转弹两框架导引头的前馈补偿技术

针对弹体滚转情况下两框架平台式导引头的伺服控制问题,基于导引头运动学和动力学,建立了导引头稳定回路模型。结合弹体滚转条件下的导引头输入指令和输出视线角速率关系,构建了视线闭环回路。针对偏航、俯仰通道间的解耦控制问题,推导出解耦条件,要求两通道由失调角到光轴转动角速度的传递函数相同。仿真分析了该模型在视线角输入以及弹体姿态扰动输入时,弹体滚转对导引头跟踪精度产生的影响,并由此提出了滚转角速度前馈补偿控制方案。结果表明,采用结合滚转角前馈补偿控制的两框架平台式导引头方案可以满足滚转弹的制导精度要求。     

基于全驱系统方法的制导控制一体化设计

针对滑行转弯导弹拦截高机动目标的制导控制系统设计问题,提出了一种基于全驱系统和反步法相结合的制导控制一体化设计方案。首先,考虑目标的机动特性,建立了二阶严格反馈的制导控制一体化非线性模型,消除了中间过程量,简化了建模和计算过程。其次,设计降阶状态观测器,对包含目标未知机动、系统未建模部分、气动参数等扰动进行估计,并在控制器中进行前馈补偿。随后,基于高阶全驱系统方法,结合反步控制方法,设计具有拦截角度约束的制导控制一体化方案,使用极点配置方法,得到闭环系统控制系数矩阵,满足期望的系统性能。引入Lyapunov函数,证明闭环系统稳定性。最后,通过不同场景和对比仿真试验,证明了所设计的制导控制一体化方案的有效性、优越性和鲁棒性。     

一种鲁棒的非线性飞行控制律设计

介绍了一种反馈线性化方法——逆系统方法，用以解决非线性飞行控制。针对逆系统方法存在的误差，介绍了一种鲁棒控制方法——基于RBF神经网络直接自适应控制方法，利用李亚普诺夫稳定性定理推导了神经网络权值的自适应规律，保证了闭环系统的稳定性。设计了针对滚转通道的神经网络，并应用某型号飞机进行了非故障和故障状态的仿真，结果证明，自适应神经网络控制方法补偿作用显著，相当于系统具有一定的重构功能。     

无人机空中加油自主编队控制器设计

针对自主空中加油(AAR)任务中的飞行器编队形成问题,提出了一个完整的自主控制器方案。采用基于视线的编队制导律控制队形,产生制导指令。针对加油编队过程中产生的模型误差和尾涡扰动等不确定性,基于RBF神经网络和自适应Backstepping方法,设计了UAV姿态和速度非线性控制律来在线逼近和补偿不确定性,保证系统的鲁棒性和稳定性。使用协调转弯方式将航迹角指令转换为姿态指令,以实现控制律对航迹角指令的精确跟踪。最后,仿真结果验证了制导律和控制律的有效性。     

基于自适应动态规划的运载火箭智能姿态容错控制

针对运作火箭主动段发动机摆动执行机构故障下的姿态控制问题,结合自适应动态规划（ADP）方法设计了一种智能容错控制策略。该智能容错控制器主要包括2部分：容错稳定控制部分和优化补偿部分。容错稳定控制部分利用自适应和滑模变结构控制设计,主要维持执行机构故障下姿态控制系统的稳定,保证姿态跟踪误差的有限时间收敛;优化补偿部分采用执行-评价结构,利用ADP的在线学习优势,根据姿态系统的跟踪误差（尤其是系统故障、强干扰导致的跟踪偏差）,设计ADP算法产生补偿控制来进一步优化姿态控制系统的跟踪性能。仿真验证表明,即使存在外部干扰和执行机构故障的情况下,所提方法仍能保证系统稳定且精确跟踪指令信号。     

导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法

针对导弹俯冲打击地面目标的问题,基于扩张状态观测器(ESO)和反步滑模设计思想,提出一种导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法。充分考虑制导与控制系统之间以及控制系统三通道间的耦合关系,建立了制导与控制一体化三通道耦合模型。通过ESO对导弹运动六自由度(6DOF)系统内各通道间的动态耦合项和不确定性进行实时观测和动态补偿,实现通道间的主动解耦,从而设计了基于ESO的导弹制导与控制一体化三通道解耦控制律。同时,为了解决在使用ESO对高阶非线性系统进行状态观测时引起的"运算膨胀"问题,通过设计自适应控制律对ESO观测误差进行补偿。基于李雅普诺夫稳定性准则证明了闭环系统所有状态最终一致有界。并与制导与控制一体化三通道独立设计方法和传统的制导与控制系统设计方法进行对比仿真,结果验证了基于ESO的导弹制导与控制一体化三通道解耦设计方法的有效性和优越性。     

超低空空投航迹倾角自适应跟踪控制

针对超低空空投下滑阶段考虑执行器输入死区、不确定性大气扰动以及模型存在未知非线性等因素干扰轨迹精确跟踪等问题,提出了一种自适应神经网络动态面跟踪控制方法.建立了含执行器输入死区的超低空空投载机纵向非线性模型,采用神经网络逼近模型中未知非线性函数,引入非线性鲁棒补偿项消除了执行器死区建模误差和外界扰动.应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有信号均是有界收敛的.仿真验证表明,所提方法既保证了轨迹跟踪的精确性,又具有强鲁棒性.     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

Fault-tolerant control with mixed aerodynamic surfaces and RCS jets for hypersonic reentry vehicles

This paper proposes a fault-tolerant strategy for hypersonic reentry vehicles with mixed aerodynamic surfaces and reaction control systems (RCS) under external disturbances and subject to actuator faults. Aerodynamic surfaces are treated as the primary actuator in normal situations, and they are driven by a continuous quadratic programming (QP) allocator to generate torque com-manded by a nonlinear adaptive feedback control law. When aerodynamic surfaces encounter faults, they may not be able to provide sufficient torque as commanded, and RCS jets are activated to augment the aerodynamic surfaces to compensate for insufficient torque. Partial loss of effective-ness and stuck faults are considered in this paper, and observers are designed to detect and identify the faults. Based on the fault identification results, an RCS control allocator using integer linear programming (ILP) techniques is designed to determine the optimal combination of activated RCS jets. By treating the RCS control allocator as a quantization element, closed-loop stability with both continuous and quantized inputs is analyzed. Simulation results verify the effectiveness of the proposed method.     

航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构

针对满足Lipschitz条件的航天器姿态控制系统这一非线性系统中存在的执行器加性故障、空间干扰与测量噪声问题,提出了基于PD型迭代学习观测器的故障重构方法。该方法具有期望的鲁棒性能指标,能够在系统存在空间干扰与测量噪声情况下实现对突变故障与时变故障等故障类型的精确重构。基于线性矩阵不等式技术给出系统化PD型迭代学习观测器的设计方法,并根据Lyapunov稳定性理论对上述设计方法的稳定性条件进行了理论证明,同时利用鲁棒技术抑制空间干扰与测量噪声对执行器故障重构的影响,通过线性矩阵不等式工具箱求解观测器参数矩阵。最后,将该方法应用到航天器姿态控制系统中,仿真结果证明了该方法的有效性。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

Reconfigurable fault-tolerant control for supersonic missiles with actuator failures under actuation redundancy

Aircraft undergoing actuator failures into under-actuation have been seldom studied in literature. Aiming at addressing actuator failures of Total Loss of Effectiveness (TLOE) as well as Partial Loss of Effectiveness (PLOE) resulting in different system actuations, reconfigurable Fault-Tolerant Control (FTC) is proposed for supersonic wingless missiles under actuation redundancy. The under-actuated system of TLOE failure patterns is solved by transformation to cascade systems through a ‘shape variable’. Meanwhile, actuator TLOE faults of different unknown failure patterns from proper actuation to under-actuation are accommodated by a reconfigurable adaptive law on a multiple-model basis. The backstepping technique with the Extended State Observer (ESO) method adopted as a basic strategy is applied to an established symmetric coupled missile system with actuator PLOE faults, modeling errors, and external disturbances. Additionally, the nonlinear saturation characteristics of actuators are settled by an auxiliary system with the Nussbaum function technique. The stability of the control system is analyzed and proven through Lyapunov theory. Numerical simulations are implemented in the presences of aerodynamic uncertainties, gust disturbance, and actuator failures. Results demonstrate the effectiveness of the proposed method with satisfactory tracking performance and actuator fault tolerance capacity.     

基于机载实时模型的发动机执行机构 故障状态参数估计

为了对发动机的主燃烧室供油量控制器、喷管喉部面积控制器、风扇进口可调导叶角度控制器、压气机进口可调导叶角度控制器进行故障诊断,建立了基于简化n+1残量方法的非线性机载实时模型,并结合常增益扩展卡尔曼滤波器建立执行机构控制参数估计器,利用非线性部件级模型模拟飞行包线内发动机执行机构的软故障.仿真结果表明:执行机构控制参数估计器在飞行包线内能实现较高精度估计,且具有较好的稳定性.     

一种快速鲁棒自适应故障估计方法设计

针对一类线性系统的执行器故障,对一种快速鲁棒自适应故障估计方法进行了设计。所设计的自适应故障估计观测器在放松严格正实(SPR)条件的同时,还具备对干扰的鲁棒性。在设计观测器参数时,根据有界实引理,对干扰和故障变化率的影响分别设计不同的约束不等式,能够更灵活地调节二者对故障估计影响的比例,并且引入松弛变量设计不同的Lyapunov矩阵,降低了设计的保守性。在设计过程中,由于出现了非线性矩阵不等式,本文采用了锥补线性化的算法进行求解,最终求得了最优的观测器参数。最后通过对某飞行器控制系统的仿真证明了算法的有效性。     

一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法

飞机结构损伤会引起气动参数变化,进而影响系统的静稳定性和控制精度。针对具有多输入的非线性飞机模型,利用带有二阶命令滤波器的自适应反步控制方法在线估计飞机气动参数,补偿结构损伤导致的气动参数变化对控制系统的影响,以实现容错飞行控制功能;引入的命令滤波器可以避免反步控制中复杂的求导运算。从理论上分析证明了带有二阶命令滤波器的自适应反步控制的闭环系统稳定性,并给出了控制跟踪误差的理论上界和二阶命令滤波器频率参数选取的下界。通过一个大型客机垂直尾翼脱落场景的仿真实验,验证了所提容错控制方法的有效性。     

Robust adaptive compensation control for unmanned autonomous helicopter with input saturation and actuator faults

This paper studies a robust adaptive compensation Fault Tolerant Control(FTC) for the medium-scale Unmanned Autonomous Helicopter(UAH) in the presence of external disturbances,actuator faults and input saturation.To improve the disturbance rejection capacity of the UAH system in actuator healthy case, an adaptive control method is adopted to cope with the external disturbances and a nominal controller is proposed to stabilize the system.Meanwhile, compensation control inputs are designed to reduce the negative effects derived from actuator faults and input saturation.Based on the backstepping control and inner-outer loop control technologies, a robust adaptive FTC scheme is developed to guarantee the tracking errors convergence.Under the presented FTC controller, the uniform ultimate boundedness of all closed-loop signals is ensured via Lyapunov stability analysis.Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control algorithm.