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。     

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。     

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。     

Electromechanical flight actuators for advanced flight vehicles

The aircraft flight quantities and success of the mission depend to a great extent upon the actuator performance, and flight actuators must be designed to achieve the specified criteria. Electromechanical flight actuators driven by electric motors have begun to displace hydraulic technology in advanced flight vehicles. In aerospace application, permanent-magnet stepper motors are perfectly suited due to their efficiency and reliability, low volume-, weight-, and size-to-torque ratios, high power and torque densities, low cost and maintenance, simplicity and ruggedness, etc. Conventional open-loop stepper motor servos do not ensure the required accuracy and dynamic performance. An innovative method in motion control of advanced electromechanical flight actuators is developed, and nonlinear controllers are designed. The specified tracking accuracy, desired stability margins, microstepping capabilities, and disturbance attenuation are ensured by the robust nonlinear controllers synthesized. Analytical, numerical, and experimental results are documented to study the performance of flight actuators directly driven by stepper motors and to demonstrate the efficiency of control algorithms     

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。     

基于单轴光电探测系统的MUAV目标捕获与盘旋跟踪系统

研究了基于侧向单轴光电探测系统的微小型无人飞行器(MUAV)捕获、跟踪地面目标的飞行控制方法,提出一种探测器单轴消除视场y向失谐角,MUAV航向控制消除视场x向失谐角的控制方案。采用常规的飞行动力学纵向和侧向运动方程及小干扰线性化方法,并分别对MUAV定高寻航迹段、目标搜索捕获段及盘旋跟踪段进行了MATLAB仿真。分析了侧向突风以及飞机俯仰角变化对视场中x向失谐角的耦合影响,并提出了解决方案。仿真结果验证了所提方案的有效性,其能够满足MUAV持续盘旋跟踪地面目标的飞行任务。     

无人机参数优化自抗扰编队保持控制器设计

针对无人机编队飞行中的队形保持问题,采用结合粒子群算法的自抗扰控制技术对控制器进行设计,使响应过程具有良好的动态品质和较小的稳态误差。建立三维空间内基于相对误差的无人机编队飞行模型,并在此基础上设计了跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态反馈自抗扰控制器,采用粒子群算法对控制器中部分参数进行优化整定。仿真结果表明,设计的结合粒子群算法的改进自抗扰控制器具有良好的控制性能,能以较高的精度实现无人机编队保持任务。     

Variable structure robust flight control system for the F-14

In this paper, a flight control law for a simplified F-14 aircraft model is designed based on variable structure control (VSC) theory. For m-input, q-output linear uncertain systems (q相似文献   

基于总能量理论的着舰飞行/推力控制系统

为提高舰载飞机在低动压着舰条件下飞行操纵性能和实现飞行航迹/速度之间的解耦,首先设计了阻尼器,使飞机的短周期阻尼达到了一级飞行品质的要求;然后,基于总能量控制理论设计了着舰飞行/推力综合控制系统。该控制系统使航迹角的响应带宽为1.21 rad/s。仿真结果表明,该系统能够在保持速度恒定的条件下实现航迹角的快速响应,而且对气动参数摄动具有较强的鲁棒性。     

基于小波神经网络的自适应飞/推控制系统设计

基于小波神经网络提出了一种H∞自适应控制方法。控制器由等效控制器和H∞控制器两部分组成。用小波神经网络逼近非线性函数,并把逼近误差引入到权值的自适应律中用以改善系统的动态性能。H∞控制器用于减弱外部及神经网络的逼近误差对跟踪的影响。所设计的控制器不仅保证了闭环系统的稳定性,而且使外部干扰及神经网络的逼近误差对跟踪的影响减小到给定的性能指标。最后基于所设计的控制方法对新一代歼击机设计了飞/推控制系统,并对飞机作大迎角机动仿真。仿真结果表明所设计的飞/推控制系统是有效的,同时验证了所设计的非线性控制方法是有效性的。      

Fuzzy robust nonlinear control approach for electro-hydraulic flight motion simulator

A fuzzy robust nonlinear controller for hydraulic rotary actuators in flight motion simulators is proposed. Compared with other three-order models of hydraulic rotary actuators, the proposed controller based on first-order nonlinear model is more easily applied in practice, whose control law is relatively simple. It not only does not need high-order derivative of desired command,but also does not require the feedback signals of velocity, acceleration and jerk of hydraulic rotary actuators. Another advantage is that it does not rely on any information of friction, inertia force and external disturbing force/torque, which are always difficult to resolve in flight motion simulators. Due to the special composite vane seals of rectangular cross-section and goalpost shape used in hydraulic rotary actuators, the leakage model is more complicated than that of traditional linear hydraulic cylinders. Adaptive multi-input single-output(MISO) fuzzy compensators are introduced to estimate nonlinear uncertain functions about leakage and bulk modulus. Meanwhile, the decomposition of the uncertainties is used to reduce the total number of fuzzy rules. Different from other adaptive fuzzy compensators, a discontinuous projection mapping is employed to guarantee the estimation process to be bounded. Furthermore, with a sufficient number of fuzzy rules, the controller theoretically can guarantee asymptotic tracking performance in the presence of the above uncertainties, which is very important for high-accuracy tracking control of flight motion simulators.Comparative experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm, which can guarantee transient performance and better final accurate tracking in the presence of uncertain nonlinearities and parametric uncertainties.     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

基于扩张状态观测器的动态逆过失速机动飞行控制

针对飞机过失速机动飞行控制问题,提出了一种将动态逆与扩张状态观测器相结合进行扰动估计补偿的新思路。根据时标分离原则将飞机状态分为快变量和慢变量,并分别设计了两个回路的动态逆控制器。在快慢回路分别引入扩张状态观测器对系统的不确定部分进行估计补偿,抵消不确定部分对系统动态特性的影响。最后对控制律进行了过失速机动仿真。结果表明,在存在较大参数摄动情况下,设计的控制律能控制飞机跟踪控制指令,表现出良好的稳定性和鲁棒性。     

High dynamic output feedback robust control of cascaded extended state observer

High dynamic tracking performance is a key technical index of hydraulic flight motion simulator(HFMS). However, the strong nonlinearities, various model uncertainties and measurement noise in hydraulic actuation systems limit the high dynamic performance improvement. In this paper, the outer axis frame of a HFMS is taken as a case study and its nonlinear dynamic model with consideration of strong nonlinearities, matched and mismatched uncertainties is established.A novel cascaded extended state ...     

基于极值搜索的四旋翼无人机自抗扰控制

为了提高四旋翼无人机飞行过程中的抗干扰能力,提出了基于极值搜索算法的自抗扰控制技术。首先,建立了四旋翼无人机非线性数学模型;然后,设计了基于极值搜索的自抗扰控制器,对无人机的位置和姿态进行控制;同时,设计扩张状态观测器估计系统内部及外部总扰动,对系统扰动进行补偿。仿真结果表明,所提方法不仅能抑制外界干扰,而且能显著改善飞行控制系统的瞬态性能和稳态性能。     

飞机俯仰速率信号重构方法研究

研究了六自由度非线性方程描述的飞机在俯仰速率传感器故障情况下的信号重构方法。给出了两种重构方法，一种是通过建立等效的线性模型，设计线性状态观测器重构状态信号，另一种是使用非线性跟踪微分器方法．通过跟踪俯仰角的微分信号来计算俯仰速率信号。仿真结果表明，两种方法都具有一定的可行性。     

全包线飞行控制系统设计方法研究

介绍了当前全包线飞行控制系统设计的几种主要方法，分析了这些方法存在的问题，研究了线性变参数系统（LPV）的自增益调度控制器设计，说明了其中两种重要的设计方法LFT（线性分式变换）法和Lyapunov函数法，应用Lyapunov函数法设计了大包线范围飞机的集镇爷角速度自增益高度控制系统，进行了变参数仿真，仿真结果说明了方法的有效性。     

非线性PD控制在自动地形跟随系统中的应用

提出了一种非线性PD控制方法，并将其应用在自动地形跟随系统飞行控制律的设计中。对采用常规PI控制与非线性PD控制的飞行控制系统进行了鲁棒性仿真比较以及典型地形跟随误差仿真比较。结果表明，采用非线性PD控制方法设计的控制律具有良好的鲁棒性与跟随性能。     

基于攻角预测模型的航空发动机高稳定性控制

研究了发动机稳定性控制问题.作战飞机在超机动飞行时,发动机进口流场畸变严重,采用常规控制并不能保证其稳定工作.针对上述问题,提出了基于攻角预测的发动机超机动飞行高稳定性控制器:首先建立了进气道攻角预测模型,以实时估计发动机进口流场畸变,并在此基础上用增广线性二次型调节器(augmented linear quadratic regulator,简称ALQR)方法设计了高稳定性控制器,最后在发动机/三自由度飞机综合模型平台上模拟大攻角飞行任务进行了数字仿真验证.数字仿真结果验证了提出的控制思想的合理性和可行性.      

基于H∞最优化与层次结构动态逆的非线性飞行控制器设计

针对扰动环境下的导弹飞行控制问题提出一种基于H∞最优化与层次结构动态逆(HSDI)的鲁棒非线性控制方法.设计层次结构动态逆控制器时将层次结构优化为3层,并按照时标分离的思想调整了各层次的状态变量,使得控制器更为简洁.在此基础上,将层次结构动态逆控制器与导弹6自由度(DOF)非线性模型联合作为H..控制的广义被控对象,通...