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。     

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。     

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。     

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。     

考虑输入饱和的固定翼无人机自适应增益滑模控制

针对复杂环境下的固定翼无人机飞行控制问题，考虑输入饱和以及复杂外界干扰的影响，提出一种基于自适应滑模控制方法的固定翼无人机飞行控制策略。首先，对固定翼无人机模型进行介绍，将模型分为姿态子系统和速度子系统；其次，针对姿态子系统和速度子系统的特点以及控制需求，分别采用自适应多变量螺旋滑模和自适应快速超螺旋滑模设计姿态控制器和速度控制器，该策略无需设计干扰观测器对外界干扰进行估计，仍然可以实现固定翼无人机对姿态参考指令和速度参考指令的有限时间精确跟踪，并基于Lyapunov的稳定性分析方法证明了闭环系统的稳定性。最后，对本文所提出的控制策略进行了仿真验证，结果表明该控制策略具有良好的控制性能。     

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。     

基于干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪鲁棒控制

针对四旋翼无人机提出了一种基于干扰观测器的轨迹跟踪鲁棒控制算法。在外界气流干扰和内部模型参数不确定性的影响下,保证空间位置和偏航角可以快速平滑地跟踪参考信号。对于位置子系统,设计了自适应更新算法,对质量不确定性和气动干扰力进行抑制。设计了一个新颖的非线性干扰观测器,对未知气动干扰力矩进行观测。通过在控制输入中加入干扰力矩的观测值,保证姿态子系统能够以指数收敛速率跟踪中间指令信号。利用Lyapunov理论,证明了整个闭环系统全局渐近稳定。仿真结果表明,该控制器简单有效,对外界干扰具有较强的鲁棒性,同时对负载不确定性也具有自适应能力。     

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。     

航迹跟踪的DMC方法设计研究

动态矩阵控制（DMC）是模型预测控制（model predictive control）的一种典型算法,通过模型预测、在线滚动优化和反馈校正来对被控系统实施优化控制,能有效处理系统输入输出约束和抑制随机干扰。论文在碟形飞行器控制模型基础上,设计了基于DMC方法的飞行器航迹跟踪控制系统。通过选取多组参数进行仿真研究,明确了DMC方法三个主要参数在系统中的作用,并获得了较好的航迹跟踪控制效果。     

考虑执行机构饱和的迎角跟踪控制

设计提出了 1种针对高光谱图像分类任务的 3D-MSCNN模型。在 PCA降维的基础上,利用 3D空谱特征提取网络和 2D多尺度特征提取网络实现高光谱图像特征提取,充分发挥高光谱图像空谱信息价值,增强对不同尺度地表覆盖的表达能力。最后,利用 Softmax分类损失函数实现高光谱图像分类任务。实验结果表明,本文算法在 In. dian Pines和 Pavia University数据集上都取得了较好的分类效果。与 CD-CNN、3D-CNN、SS-Net和 HybirdSN等方法相比,本文算法能够有效提升总体精度、平均精度和 Kappa系数等客观评价指标。     

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.     

考虑预设性能约束的运输机姿态容错控制

针对运输机舵面故障情况下的姿态容错控制问题,提出了一种考虑预设性能约束的自适应指令滤波增量反步(Adaptive Command-filtered Incremental Backstepping,ACFIBS)容错控制器。首先,构造运输机故障模型,在反步控制设计结构下,通过构造预设性能函数,保证外回路姿态角跟踪误差的动态性能。然后,考虑舵机偏转速率和幅值限制,引入受限指令滤波器和补偿信号,综合考虑气动参数不确定性,采用增量方法设计反步内环控制律。在此基础上,进一步考虑舵面故障情况,引入自适应方法及低通滤波器改进增量反步控制器。最后,通过理论推导和仿真试验验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的容错性能,在不同舵面故障条件下均可实现对指令信号的预设性能跟踪,且在参数摄动情况下具有较强的鲁棒性。     

Control and stabilization of nonlinear uncertain elastic roboticarm

An approach is presented to the control of an uncertain nonlinear flexible robot arm (PUMA-type) with three rotational joints. The third link is assumed to be elastic. A torquer control law, which is a function of the trajectory error, is derived for controlling the joint angles. The knowledge of the system dynamics is not required for the derivation of the controller. This controller includes a reference model to generate command joint angle trajectories, and a dynamic system in the feedback path which requires only joint angle and rate for feedback. The torquer controller asymptotically decouples the elastic dynamics into two subsystems, representing the transverse vibration of the elastic link in two orthogonal planes. For the damping of the elastic vibration, a force control law using modal velocity feedback is synthesized. Simulation results are presented to show that the combination of the torque and force control law accomplishes reference joint angle trajectory tracking and elastic mode stabilization despite the uncertainty in the system     

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。      

Disturbance observer-based backstepping control for hypersonic flight vehicles without use of measured flight path angle

In this paper a nonlinear control method is proposed for the tracking control of hypersonic flight vehicles. The designed control laws do not utilize the measured flight path angle due to its inferior accuracy in practical engineering. For this, an estimated flight path angle is designed via the measurements of the altitude and velocity. A tracking differentiator is designed for constructing nonlinear disturbance observer which is used to estimate the model uncertainties including the parameter indeterminacies and external disturbances in the channels of velocity and pitch rate. A robust high-order differentiator is introduced to avoid the employment of the measured flight path angle and estimate the lumped disturbance in dynamics of flight path angle. Meanwhile, the possible saturation of the control inputs is considered and compensated by the auxiliary states. The boundness of closed-loop signals is proved through the Lyapunov theory. Comparative simulations are carried out and the results demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

舰载飞机着舰航迹角控制器设计

为提高舰载飞机的着舰精度,基于总能量控制理论设计了着舰下滑航迹角控制器。频域分析结果表明,该控制系统使航迹角的响应带宽为1.21rad/s,满足了设计要求。基于非线性模型的仿真结果表明,该系统不但能够使航迹角快速地响应阶跃输入指令和保持飞行速度基本不变,且对于气动参数的摄动具有较好的鲁棒性。     

飞机-驾驶员闭环系统模糊预见控制器设计

针对驾驶员操纵延迟和飞机不确定性所导致的人-机系统跟踪性能降低的问题,提出一种基于T-S模糊模型的鲁棒预见辅助驾驶方法。建立驾驶员-飞机时滞不确定T-S模糊模型,引入预见控制思想补偿驾驶员延迟,以跟踪误差和驾驶员操纵负担为性能指标,将存在模型不确定性的人-机指令跟踪问题转化为模糊最优保性能控制问题,并推导了该凸优化所应满足的线性矩阵不等式。为克服预见步数增多引起增广系统维数较大、进而导致线性矩阵不等式不易求解的缺陷,设计了一种次优的预见控制器。最后,分别通过驾驶员模型仿真和飞行模拟器实验,验证了所设计的模糊预见控制器的有效性。     

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