BACKSTEPPING控制理论及在非线性飞控系统中的应用

在非线性飞控系统研究领域,反馈线性化方法是使用非常广泛的一种方法.然而反馈线性化理论在飞机控制系统中应用通常与奇异摄动理论结合,需要将飞机动态进行时标分离假设,使用内、外环的控制方案,这种方案在理论上存在着闭环系统可能不稳定的隐患.BACSTEPPING理论是继反馈线性化理论之后发展起来的一种控制理论.基于BACSTEPPING理论的控制系统是通过Lyapunov稳定性理论推导得出,确保了系统闭环稳定性.仿真结果表明此方案是正确和有效的.     

基于BACKSTEPPING理论的直接自适应飞行控制

BACKSTEPPING理论是继反馈线性化理论之后发展起来的一种的控制理论.基于BACKSTEPPING理论的控制系统是通过Lyapunov稳定性理论推导得出,确保了系统闭环稳定性,避免了反馈线性化理论在飞机控制系统中应用存在的可能不稳定的隐患.然而,BACKSTEPPING理论与反馈线性化方法存在同样的鲁棒性缺陷,即对模型的精确性要求很严格.据此文中给出一种通过直接自适应补偿的方式来增强其鲁棒性的方法.仿真结果表明此方案对模型存在不精确环节时有较强的补偿控制作用.     

导弹运动方程的逆解析解

针对在采用反馈线性化理论设计导弹飞行控制系统时控制器算法对导弹逆模型的要求 ,推导了导弹运动方程的逆解析解 ,包括导弹质心运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解、姿态运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解 ,详细给出了逆模型的求解过程 ,为一类飞行控制系统运用全局线性化设计奠定了基础。最后 ,结合工程应用进行了仿真计算 ,仿真结果表明逆解析解的推导是正确的     

大攻角导弹的非线性自动驾驶仪设计

本文描述了尾控大攻角空空导弹的两种非线性自动驾驶仪的设计方法。该研究应用了一种短程导弹高度非线性，时变俯仰面刚性体的动态模型。这种自动驾驶仪是利用线性化反馈技术、线性控制理论来设计的。为了解决由尾控导弹引起的“空气动力学”困难，提出了两种各不相同的近似线性反馈的方法。第一种方法是在闭环动力学上施加了一个时标结构，第二种方法则是重新定义了输出。     

一种非线性末制导系统模型的精确线性化

针对未来高机动目标的拦截 ,运用非线性系统几何理论中的精确线性化方法 ,设计了一种空空导弹非线性末制导系统加速度指令。假设目标做逃逸机动 ,弹体 -自动驾驶仪响应用一个二阶环节描述 ,建立了导弹目标三维相对运动方程。根据终端约束直接选取系统输出阵 ,经动态反馈线性化 ,将非线性系统模型转化为线性方程 ,求得了目标任意机动时的非线性末制导系统的加速度指令。以纵向平面为例进行了仿真计算 ,结果表明该方法是行之有效的 ,得到的解可以用来改进导弹大离轴发射角时的进攻能力。     

反馈线性化及其在飞控系统中的应用

反馈线性化方法是一种有效的解决非线性系统控制的方法。而未来新一代战机控制系统需要适应超机动作战的非线性控制，非线性控制系统是必然要采用的。文中先简要介绍了反馈线性化理论，然后介绍了反馈线性化方法在飞控系统中的具体应用，最后以某型号先进战斗机为仿真算例进行了仿真，仿真结果表明，基于反馈线性化方法设计的飞控系统是可行的、有效的。     

空空导弹跟踪控制器设计的理论分析与仿真

简要介绍了运用逆系统方法设计空空导弹跟踪控制器的原理,分析了系统设计的反馈线性化控制律和状态反馈解耦条件,并建立了控制器的Simulink仿真模型.仿真结果表明,通过对弹道坐标系下导弹的纵向和法向过载实施控制,可使导弹的速度、偏航角和俯仰角输出信息以较高的精度快速跟踪预期指令,所设计的控制器具有一定的抗干扰能力,从而验证了控制器设计的合理性和有效性.     

一种采用平行接近策略的三维制导律

以打击动目标的导弹为研究对象,通过目标与导弹的位置关系和运动状态,求解得到平行接近策略下导弹的期望弹道偏角和期望弹道倾角,运用反馈线性化方法,获取导弹的期望弹道偏角速率和期望弹道倾角速率,进而设计了导弹的三维导引律。最后,通过仿真测试验证了该方法的有效性。     

一种导弹攻击时间协同导引律

研究了具有攻击时间约束的多枚导弹协同导引律。首先,根据各枚导弹的估计到达时间来指定攻击时间,并由指定攻击时间设计期望的弹目距离,使攻击时间控制问题转化为弹目距离跟踪问题;然后,引入导弹导引非线性模型,采用反馈线性化的方法将其转化为线性模型;最后,利用线性极点配置的方法设计出稳定的控制律。仿真结果证明,所有导弹都能非常精确地按照指定攻击时间到达目标。     

导弹驾驶仪鲁棒反演控制器设计

由于导弹在飞行过程中弹体参数变化剧烈,所以具有自适应性的控制理论来设计自动驾驶仪是一种很好的解决方案。反演理论是继反馈线性化之后发展起来的非线性控制理论,是一种基于Lyapunov稳定理论的设计方法。本文针对空空导弹的非线性模型设计了自动驾驶仪的反演控制器,并进行了数字仿真,证明了该方法的正确和有效性。     

ROBUST ADAPTIVE BANK-TO-TURN MISSILE AUTOPILOT DESIGN USING FUZZY CMAC NEURAL NETWORKS

ＲＯＢＵＳＴＡＤＡＰＴＩＶＥＢＡＮＫ┐ＴＯ┐ＴＵＲＮＭＩＳＳＩＬＥＡＵＴＯＰＩＬＯＴＤＥＳＩＧＮＵＳＩＮＧＦＵＺＺＹＣＭＡＣＮＥＵＲＡＬＮＥＴＷＯＲＫＳＺｈａｎｇＹｏｕａｎ（张友安）,ＣｕｉＰｉｎｇｙｕａｎ（崔平远）,ＷａｎｇＳｈｏｕｂｉｎｇ（王守斌...     

应用动态逆和时间尺度分离的BTT导弹控制

基于简化的ＢＴＴ导弹控制设计模型,应用非线性动态和时间尺度分离方法设计了一种非线性ＢＴＴ导弹自动驾驶仪,根据导弹实际的飞行高度和飞行速度,可以计算出导弹动力学系数的标称值,非线性动态逆法正是基于这些动力学系数的标移值,适适合于控制导弹作大空域飞行,六自由度仿真结果一步验证了方法是正确的与有效的。     

BTT导弹机动飞行非线性解耦控制

使用微分几何控制理论研究了 BTT导弹在倾斜转弯时的非线性解耦控制问题。首先给出了非线性系统实现解耦的充要条件 ,然后推导了 BTT导弹在倾斜转弯时的非线性解耦控制律 ,最后利用所推导的控制律对某型 BTT导弹进行了仿真研究。仿真结果表明 :所设计的非线性解耦控制律能很好地抑制导弹在倾斜转弯时的纵侧耦合 ,同时导弹的纵向过载及滚转角能很好地跟踪参考输入指令。     

BTT导弹的抖动抑制多模型切换控制

 基于线性系统特征结构配置和模型跟踪方法,以及优化工具,提出了可以有效抑制抖动的多模型切换控制策略,并用该策略设计了 BTT导弹俯仰 /偏航通道的自动驾驶仪。在导弹的整个飞行轨道上选取了若干点,分别建立起描述 BTT导弹俯仰 /偏航运动的线性时不变数学模型。对各个线性时不变模型,分别用特征结构配置方法设计反馈控制器对系统进行镇定。为了使导弹过载跟踪制导指令,又基于模型跟踪方法设计了前馈控制器。当导弹跨越不同特征点区域时,控制器要进行切换。为了减小切换时的抖动,针对切换后的特征结构配置反馈控制器,利用优化工具合理选取其自由度。仿真结果表明,所提出的方法令导弹的输出过载准确跟踪制导指令,而且切换抖动得到有效抑制。     

Nonlinear autopilot for high maneuverability of bank-to-turnmissiles

This paper presents a novel approach to autopilot design for highly maneuvering bank-to-turn (BTT) missiles. In the design and performance analysis of the proposed nonlinear autopilot, all nonlinearities of missile dynamics including the coupling between roll, yaw, and pitch channels as well as the asymmetric structure of missile body are taken into full account. It is shown that through a kind of feedback linearization technique along with a singular perturbation-like technique, the input/output (I/O) dynamic characteristics of pitch, yaw, and roll channels are made linear, decoupled, and independent of flight conditions such as air density and missile velocity. In particular, the proposed autopilot controllers can provide excellent set-point tracking performance for roll and pitch channels while keeping the side-slip angle negligible. The generality and practicality of our approach are demonstrated through mathematical analysis and various simulation results using an ILAAT missile     

基于H∞性能指标的质量矩拦截弹鲁棒控制

 以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础，利用微分几何的反馈线性化理论，得到一个解耦线性系统，考虑到拦截弹的鲁棒性要求和3个滑块的协调控制问题，提出采用双回路的设计方法，内回路采用线性二次调节器（LQR），外回路采用考虑混合灵敏度问题的H_∞控制设计。仿真结果证明了该方法动态性能满足设计要求，同时对系统参数的不确定性具有较强的鲁棒性。     

基于控制力矩陀螺的BTT飞行器协调转弯控制

针对倾斜转弯(BTT)飞行器进行横向机动时会产生侧滑角的问题,提出一种考虑通道耦合因素的协调转弯控制方法。采用了一种基于单框控制力矩陀螺(SGCMG)的侧滑角抑制执行机构来替代方向舵、矢量推力发动机等传统执行机构。建立了加装控制力矩陀螺的BTT飞行器横向机动时的多变量强耦合非线性倾斜转弯动力学模型。根据BTT飞行器横向机动时的协调转弯要求,设计了一种基于非线性反馈和线性二次型最优算法的解耦综合控制器。计算结果表明:协调转弯控制系统可实现滚转角指令的良好跟踪和侧滑角的有效抑制。     

空射倾斜转弯导弹制导控制系统设计

讨论了空射 BTT 导弹的制导命令的生成,特别是针对纵向通道降高问题,设计了一种新的降高段控制指令,然后给出了三个通道的 PID 控制器。六自由度的仿真结果表明这种制导控制设计是成功的。     

有输入未建模动态的导弹鲁棒控制器设计

在导弹系统俯仰通道中存在输入未建模动态情况下，提出了一种基于RBF神经网络和反演控制技术的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先应用两个RBF神经网络对输入未建模动态设计了神经网络逆补偿器．然后利用反演控制技术设计了导弹非线性控制器．最后应用Lyapunov稳定性理论推导出RBF神经网络权重矢量调节律，证明了系统的所有信号均有界且全局指数收敛至原点。最后给出的BTT导弹非线性六自由度数字仿真结果显示了该设计方法的有效性。