带有执行器约束条件的模糊自适应反步控制

针对高超声速飞行器在飞行控制过程中存在外界干扰以及考虑执行器的动态特性等问题,结合飞行器纵向模型的特点,考虑舵的动态特性,分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于指令滤波器采用Backstepping控制方法的高度控制器。模糊自适应系统用来在线辨识飞行器模型由于气动参数的变化而引起的不确定性。运用Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性,证明了包含跟踪误差在内的所有信号满足半全局一致稳定。最后通过仿真对控制器的控制效果进行验证,得到了较为满意的控制效果。     

高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对含有不确定干扰项的吸气式高超声速飞行器模型,分别设计了基于反馈线性化的速度控制器和基于反步法的航迹控制器,以实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。通过指令滤波器得到俯仰角的实际跟踪指令及其一阶、二阶微分信号,可直接设计升降舵控制指令,在解决了虚拟控制量求导"复杂性爆炸"问题的同时,减少了反推计算步数,从而达到提高系统动态性能和优化控制器结构的目的。基于LaSalle不变集原理和Lyapunov理论设计的自适应更新律保证了系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的控制器在飞行器存在不确定干扰的情况下仍能满足对参考信号跟踪性能的要求。     

吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Terminal滑模反步控制

针对含有参数摄动、外界干扰的吸气式高超声速飞行器弹性模型,设计了一种基于新型非线性干扰观测器的Terminal滑模反步控制器。将考虑弹性模态的飞行器纵向模型表示为严格反馈形式,在传统反步法的基础上采用非奇异快速Terminal滑模控制俯仰角与俯仰角速率,优化了反步法的控制结构,并实现了系统的有限时间收敛。基于跟踪微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,并与本文所提滑模反步方法相结合,通过对包括虚拟控制量微分信号在内的不确定性进行估计与补偿,进一步提高了控制器的鲁棒性,同时解决了"微分膨胀"问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的跟踪误差于有限时间收敛至零。仿真结果表明,该控制器在存在不确定性的情况下,可以实现对参考输入的稳定跟踪。     

基于滑模干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

首先,针对存在外部干扰和输入饱和的通用式高超声速飞行器的纵向动态模型,提出一种基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器。该滑模控制器采用非线性趋近律,在保证系统快速、稳定跟踪指令的同时,能够消除传统滑模控制中的抖振现象,并针对执行器饱和问题,加入抗饱和补偿器,以提高系统的稳定性。其次,对于系统中存在的干扰和不确定性,提出一种滑模干扰观测器,用以准确估计系统中存在的等效干扰,并将该观测器对干扰的估计值应用于滑模控制器中进行补偿,以消除干扰。再次,利用Lyapunov理论对所提出的基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器进行稳定性分析。最后,对高超声速飞行器的巡航状态进行仿真。仿真结果表明,所提方法能够有效提高系统的稳定性和抗干扰性,具有一定的实际应用价值。     

高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计

针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计简

 针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于滑模观测器和干扰观测器的弹性高超声速飞行器控制

研究了基于滑模观测器和干扰观测器的弹性高超声速飞行器纵向通道控制。首先,利用可测飞行高度、俯仰角速率估计误差设计滑模观测器,重构未知攻角、航迹角;其次,设计干扰观测器估计包含弹性耦合和阵风等外部干扰的集总扰动;再次,将高超声速飞行器纵向通道模型分为速度、高度2个功能子系统,采用基于反步法的动态逆方法,避免系统复杂度爆炸问题,设计舵面偏角和燃油当量实现对期望高度和速度信号的有效跟踪;最后,通过仿真测试验证该方法的有效性。     

输入受限的高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对存在参数摄动的吸气式高超声速飞行器（AHV）弹性体模型,考虑执行机构幅值和速率受限问题,提出了一种基于辅助误差补偿策略的鲁棒反演控制方法。采用改进的辅助系统,保证了执行机构在幅值与速率同时达到饱和时闭环控制系统的稳定性和跟踪误差的有界性;采用有限时间收敛微分器（FD）,实现了对虚拟指令及其一阶导数的有效估计,并在此基础上,设计非线性干扰观测器（NDO）,对模型不确定项进行了平滑估计,进一步提高了控制精度。通过仿真,验证了所设计控制方法的有效性。     

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。     

多模型切换控制及其在BTT导弹设计中的应用

研究了一类可以抑制切换时刻输出跳跃的多模型切换控制器的设计问题。基于参数化特征结构配置结果及模型跟踪方法,设计了满足输出跟踪性能并使多模型系统中各闭环子系统渐近稳定的多模型切换控制律集合。充分利用参数化特征结构配置方法提供的全部自由度,协调选取各子系统控制律中的参数来抑制切换时刻的输出跳跃。将本文提出的方法应用到某型倾斜转弯导弹自动驾驶仪设计中,仿真结果表明导弹的输出过载迅速准确跟踪制导指令,并且切换抖动得到有效抑制。     

Sliding mode tracking control for miniature unmanned helicopters

A sliding mode control design for a miniature unmanned helicopter is presented. The control objective is to let the helicopter track some predefined velocity and yaw trajectories. A new sliding mode control design method is developed based on a linearized dynamic model. In order to facilitate the control design, the helicopter’s dynamic model is divided into two subsystems,such as the longitudinal-lateral and the heading-heave subsystem. The proposed controller employs sliding mode control technique to compensate for the immeasurable flapping angles’ dynamic effects and external disturbances. The global asymptotic stability(GAS) of the closed-loop system is proved by the Lyapunov based stability analysis. Numerical simulations demonstrate that the proposed controller can achieve superior tracking performance compared with the proportionalintegral-derivative(PID) and linear-quadratic regulator(LQR) cascaded controller in the presence of wind gust disturbances.     

卫星姿态跟踪系统的鲁棒控制器设计

研究了具有参数不确定性和外部干扰的卫星姿态跟踪控制问题。针对这一类多输入／多输出不确定非线性系统，提出了一个基于不确定项上界的鲁棒输出跟踪控制器设计方法。应用输入／输出反馈线性化法和李亚普诺夫方法，设计了一个控制律，它可确保系统输出按指数规律跟踪期望输出。该控制器计算简单，易于实现。仿真结果表明：即使系统存在不确定性，仍可在闭环系统中实现精确的姿态控制。     

微型飞行器过失速降落轨迹跟踪控制设计

采用基于张量积的T-S模糊建模与控制方法,对微型飞行器过失速降落纵向运动的轨迹跟踪控制问题进行了研究。首先,建立了过失速降落中飞行器纵向运动的线性变参数动力学模型;然后,通过张量积模型转化方法,将线性变参数模型转化为张量积胞体模型,基于该模型设计了并行分布补偿控制器,用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性,并推导了区域极点配置条件以获得更好的暂态响应性能;最后,对飞行器的过失速降落过程进行了仿真,验证了所设计的跟踪控制器的有效性。     

可重复使用飞行器的保性能姿态跟踪控制方法

针对可重复使用飞行器再入姿态跟踪控制问题,在考虑执行器饱和、气动参数摄动和外部扰动的情况下,提出了一种保性能姿态跟踪控制方案。通过构造预设性能函数,使姿态跟踪误差在预先设置的包络内演化,保证了系统的瞬态和稳态性能;其次,借助于高增益扩张状态观测器解决了气动参数摄动和外部扰动的问题;之后,基于反步控制框架,设计了一种低复杂度的输出反馈扰动补偿控制方法,保证跟踪误差的收敛性。与已有方法相比,所设计的方法不包含一些复杂的非线性动力学近似技术,如神经网络等,降低了参数调节的复杂性,且无需对虚拟控制律重复微分,避免了"微分爆炸"问题。同时,Lyapunov稳定性分析表明,该方法能够保证误差变量的预期收敛以及其他闭环系统信号的有界性。最后,通过对比仿真验证了所提方法的有效性及可行性。     

Fully distributed time-varying formation tracking control for multiple quadrotor vehicles via finite-time convergent extended state observer

This paper investigates a time-varying anti-disturbance formation problem for a group of quadrotor aircrafts with time-varying uncertainties and a directed interaction topology. A novel Finite-Time Convergent Extended State Observer (FTCESO) based fully-distributed formation control scheme is proposed to enhance the disturbance rejection and the formation tracking performances for networked quadrotors. By adopting the hierarchical control strategy, the multi-quadrotor system is separated into two subsystems: the outer-loop cooperative subsystem and the inner-loop attitude subsystem. In the outer-loop subsystem, with the estimation of disturbing forces and uncertain dynamics from FTCESOs, an adaptive consensus theory based cooperative controller is exploited to ensure the multiple quadrotors form and maintain a time-varying pattern relying only on the positions of the neighboring aircrafts. In the inner-loop subsystem, the desired attitude generated by the cooperative control law is stably tracked under a FTCESO-based attitude controller in a finite time. Based on a detailed algorithm to specify the cooperative control protocol, the feasibility condition to achieve the time-varying anti-disturbance formation tracking is derived and the rigorous analysis of the whole closed-loop multi-quadrotor system is given. Some numerical examples are conducted to intuitively demonstrate the effectiveness and the improvements of the proposed control framework.     

Event-triggered control for containment maneuvering of second-order MIMO multi-agent systems with unmatched uncertainties and disturbances

This paper is concerned with distributed containment maneuvering of second-order Multi-Input Multi-Output (MIMO) multi-agent systems with non-periodic communication and actuation. The agent is subject to unmatched nonlinear dynamics and external disturbances. Event-triggered containment maneuvering control methods is developed based on a modular design. Specifically, an estimator module is constructed based on neural networks and the non-periodic obtained follower information through event-triggered communication. Next, a controller module is designed by using the identified information from the estimator module and a third-order linear tracking differentiator. An event-triggered mechanism is introduced for updating the actuator. Then, a path update law is designed based on the non-periodic leader information through event-triggered communication. The closed-loop system cascaded by the estimation subsystem and control subsystem is proved to be input-to-state stable, and Zeno behavior is excluded in the control process. The proposed method is capable of reducing the consumption of communication and actuation. A simulation example is provided to substantiate the effectiveness of the proposed event-triggered control method for distributed containment maneuvering of second-order MIMO multi-agent systems.     

Adaptive formation control of quadrotor unmanned aerial vehicles with bounded control thrust

In this paper, the flight formation control problem of a group of quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs) with parametric uncertainties and external disturbances is studied. Unit-quaternions are used to represent the attitudes of the quadrotor UAVs. Separating the model into a translational subsystem and a rotational subsystem, an intermediary control input is introduced to track a desired velocity and extract desired orientations. Then considering the internal parametric uncertainties and external disturbances of the quadrotor UAVs, the priori-bounded intermediary adaptive control input is designed for velocity tracking and formation keeping, by which the bounded control thrust and the desired orientation can be extracted. Thereafter, an adaptive con-trol torque input is designed for the rotational subsystem to track the desired orientation. With the proposed control scheme, the desired velocity is tracked and a desired formation shape is built up. Global stability of the closed-loop system is proven via Lyapunov-based stability analysis. Numer-ical simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed control scheme.     

Acceleration tracking control for a spinning glide guided projectile with multiple disturbances

A novel acceleration tracking controller is proposed in this paper, for a Spinning Glide Guided Projectile (SGGP) subject to cross-coupling dynamics, external disturbances, and parametric uncertainties. The cross-coupled dynamics for the SGGP are formulated with mismatched and matched uncertainties, and then divided into acceleration and angular rate subsystems via the hierarchical principle. By exploiting the structural property of the SGGP, model-assisted Extended State Observers (ESOs) are designed to estimate online the lumped disturbances in the acceleration and angular rate dynamics. To achieve a rapid response and a strong robustness, integral sliding mode control laws and sigmoid-function-based tracking differentiators are integrated into the ESO-based Trajectory Linearization Control (TLC) framework. It is proven that the acceleration tracking controller can guarantee the ultimate boundedness of the signals in the closed-loop system and make the tracking errors arbitrarily small. The superiority and effectiveness of the proposed control scheme in its decoupling ability, accurate acceleration tracking performance and anti-disturbance capability are validated through comparisons and extensive simulations.