近空间可变翼飞行器小翼切换滑模反步控制

针对近空间可变翼飞行器在小翼切换过程中存在参数不确定性的问题,设计了滑模控制和反步法相结合的控制方法以保证飞行器的跟踪性能。首先研究了近空间可变翼飞行器的纵向运动模型,在此基础上设计了速度和高度的反步控制器,同时采用动态面控制方法消除微分膨胀问题,然后结合滑模控制以增强控制器的跟踪性能,最后基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,在参数不确定性时滑模反步控制器能保证系统的稳定性和跟踪性能。     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制

针对存在模型参数不确定和外部干扰的高超声速飞行器（HFV）跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping方法的抗饱和非线性控制器。将飞行器纵向动力学模型分为速度子系统和航迹倾角子系统,然后针对每个子系统单独设计控制器。设计跟踪微分器获得信号的一阶导数,用以估计系统中的不确定干扰项和避免"微分项膨胀"问题。控制器设计过程考虑了控制量发生饱和的情况。基于Lyapunov理论证明了闭环系统信号的稳定性。与传统高超声速飞行器Backstepping方法相比,所设计的控制器采用待跟踪状态与理想控制指令之间的实际误差作为反馈量,放宽了对系统干扰项的限制,提高了控制器对控制增益变化的适应性,进而提高了闭环系统的跟踪控制性能。对比仿真结果验证了所设计方法的有效性。     

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。     

高超声速飞行器控制一体化设计

针对高超声速飞行器模型具有气动/推进/控制强耦合和强非线性的特点,提出了一套面向控制的一体化设计方案.在概念设计阶段,以飞行器控制性能为优化目标,对气动、推进、结构、控制等参数进行一体化综合优选来设计飞行器.考虑模型生成的保真度要求和计算效率,建立高超声速飞行器参数化的数学模型,并设计LQR(linear quadratic regulator)跟踪控制器.通过不断调整飞行器构型,比较控制相关的动静态特性和控制效果,面向控制需求选择新的飞行器构型,并进行了仿真验证.仿真结果表明:控制一体化设计方法应用于高超声速飞行器概念设计初期可以扩大飞行包线,有效增大失速裕度,减小油耗,提高操纵面效能,降低发动机壅塞制约,对高超声速飞行器的设计效率和控制性能的提高起到了指导性的作用.      

高超声速飞行器自适应神经网络容错控制

针对高超声速飞行器巡航段执行器控制效益损失故障和卡死故障问题,基于高超声速飞行器纵向运动模型,将自适应算法与改进的径向基函数神经网络(RBFNN)方法相结合,设计了一种自适应神经网络容错控制器。所提出的容错控制方法具有无需估计执行器故障值的优点,且设计的控制算法结构简单,无需大量实时计算,可以快速处理故障的发生,确保系统在参数不确定、恒定或时变执行器故障与卡死故障情况下仍具有稳定跟踪能力。最后,仿真验证了该方法的有效性。     

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。     

高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

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。     

超机动飞行的非线性反推自适应控制

为解决对象参数未知时的超机动飞行控制问题,设计了一种非线性反推自适应控制器。针对超机动飞行的非线性模型,适当选取Lyapunov函数和中间虚拟控制信号,同时通过自适应控制律的设计来调节未知参数并得到了最终的控制信号。仿真结果表明,即使模型参数未知,所设计的控制律也能在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,同时保证了闭环系统的稳定性。     

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。     

STOVL飞机发动机多变量控制方法

短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机发动机已采用多变量控制方法。基于鲁棒稳定性和条件数分析、块相对增益矩阵分析，对STOVL飞机发动机不同工作模式下的三变量控制系统输出选择和控制结构设计进行了研究。对常规工作模式，提出了基于多目标优化的三变量分块解耦控制方法，通过定义最优指标实现动态跟踪和分块间的耦合抑制。对常规工作模式和垂直起降工作模式间的切换，提出基于升力风扇功率前馈的复合控制方法，以消除负载变化对系统性能的影响。仿真结果表明:提出的控制方法能够保证常规工作模式下良好的解耦控制效果，能够实现不同工作模式间的平稳过渡，验证了控制方法的可行性。      

考虑扰流的舰载机终端进场线性模型

回收舰载机需要精确的终端路径和姿态控制,舰载机线性小扰动模型是这一阶段系统分析和控制器设计的必要工具,它需要足够准确地描述在主要操纵输入和进场路径大气紊流作用下舰载机的动态特性。首先使用代数线性化方法建立舰载机终端进场纵向运动的小扰动模型,仿真证明该模型能精确描述无风条件下进场舰载机对控制指令的响应,但通常的建模气流扰动影响的方法不能正确反映舰尾大气紊流对舰载机进场速度的干扰。针对该问题,重点研究了垂向风引起的进场舰载机轨迹方向上的力瞬变,提出了量化舰载机地速扰动的表达式以优化线性模型参数。最后,通过完成舰载机动力学模型在不同风场下的开环仿真以及在舰尾流场中的终端进场闭环仿真,验证了改进的线性模型的有效性,表明它适用于复杂流场下着舰控制系统的性能分析和设计。     

Automatic landing system using neural networks and radio-technical subsystems

The paper focuses on the design of a new automatic landing system(ALS) in longitudinal plane; the new ALS controls the aircraft trajectory and longitudinal velocity. Aircraft control is achieved by means of a proportional-integral(PI) controller and the instrumental landing system– the first phase of landing(the glide slope) and a proportional-integral-derivative(PID) controller together with a radio-altimeter – the second phase of landing(the flare); both controllers modify the reference model associated with aircraft pitch angle. The control of the pitch angle and longitudinal velocity is performed by a neural network adaptive control system, based on the dynamic inversion concept, having the following as components: a linear dynamic compensator, a linear observer, reference models, and a Pseudo control hedging(PCH) block. The theoretical results are software implemented and validated by complex numerical simulations; compared with other ALSs having the same radio-technical subsystems but with conventional or fuzzy controllers for the control of aircraft pitch angle and longitudinal velocity, the architecture designed in this paper is characterized by much smaller overshoots and stationary errors.     

Non-fragile switching tracking control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle based on polytopic LPV model

This article proposes a linear parameter varying (LPV) switching tracking control scheme for a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV). First, a polytopic LPV model is constructed to represent the complex nonlinear longitudinal model of the FAHV by using Jacobian linearization and tensor-product (T-P) model transformation approach. Second, for less conservative controller design purpose, the flight envelope is divided into four sub-regions and a non-fragile LPV controller is designed for each parameter sub-region. These non-fragile LPV controllers are then switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a specified performance criterion. The desired non-fragile LPV switching controller is found by solving a convex constraint problem which can be efficiently solved using available linear matrix inequality (LMI) techniques, and robust stability analysis of the closed-loop FAHV system is verified based on multiple Lypapunov functions (MLFs). Finally, numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the proposed approach.     

基于自适应不对称高斯基函数网络的可靠飞行跟踪控制

针对歼击机操纵面结构故障,提出了一种基于自适应不对称高斯基函数网络（AGBFN）的可靠跟踪控制方案。该方案的特点是在传统的线性控制器的基础上,引入基于自适应AGBFN的自适应控制器,用于在线补偿由于建模误差、外扰、以及操纵面卡死或损伤所造成的影响,并且采用控制隔离技术来处理执行机构的饱和问题。完全自适应AGBFN采用不对称高斯基函数,并且可以在线更新网络所有参数,克服了传统RBF网络对称性约束,提高了网络的适应性和学习能力,从而保证歼击机的操纵品质,且输出较好地跟踪参考模型输出。飞行仿真结果表明,文中采用的控制方法使飞机在正常状态和故障状态下均可获得满意的控制效果。     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

非线性反馈线性化方法在飞控系统中的应用

应用非线性反馈精确线性化方法进行了飞机自动着陆系统设计。首先,用非线性微分方程组表示的飞机纵向控制系统,在经过输入输出反馈线性化以后,可等效为线性系数;然后,用线性的ＰＩＤ控制方法对变换后的线性系统进行了设计;最后,考虑风的干扰,对所设计的飞机自动着陆控制系统进行了数字仿真。仿真结果表明,用反馈线性化方法设计的飞控系统具有良好的性能。     

基于多项式平方和规划的航空发动机鲁棒LPV/PI控制

针对航空发动机常规(proportion integration,PI)控制器设计过程中难以保证鲁棒性及参数适应性差等问题,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying,LPV)模型及多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的控制器设计方法.结合传递函数模型下的鲁棒稳定条件及弱对偶定理给出了多项式描述的LPV模型鲁棒稳定条件,并转化为便于求解的SOS规划问题.根据发动机非线性模型获取不同转速下的传递函数模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机LPV模型.根据所提出的定理构造出SOS规划问题,并求解得出LPV/PI控制器.最终以某型双轴涡扇发动机为被控对象,在包线内不同点进行了阶跃仿真,结果表明:高压转子转速控制系统的稳态误差为0,调节时间小于3s.      

舰尾流环境中载机纵向QFT/TECS控制系统设计

为了消除舰尾流对载机着舰过程产生的影响,同时完成低动压状态下飞行速度与高度的解耦工作,基于定量反馈理论/总能量控制理论(QFT/TECS)设计了纵向着舰控制系统。针对着舰过程中数学模型所具有的不确定因素及舰尾流对下滑航迹的影响,以载机高度变化率为控制对象,使用定量反馈理论结合推力补偿系统进行了内回路鲁棒控制律设计。外回路控制律设计是以总能量控制理论为基础,通过粒子群优化算法对待调控制参数进行寻优,进而实现了对高度、速度等参数的精确控制,完成了载机纵向着舰轨迹与速度的解耦工作。仿真结果表明,该控制律在拥有较强的鲁棒性的基础上具有良好的解耦控制能力,实现了载机着舰段的高度与速度的解耦控制,明显提高了载机对着舰轨迹的跟踪能力,可满足不确定条件下载机的着舰要求。