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.     

非线性自适应控制在无尾飞控系统中的应用

无尾飞机是新型飞机的研究方向,由于其没有尾翼甚至机身,导致横侧向模态自身以及横侧向模态与纵向模态之间存有强耦合非线性特性。将非线性自适应控制应用到无尾飞控系统中,结合MATLAB的仿真工具,对无尾飞机模型进行实时仿真,得到了相应的仿真曲线。通过对仿真曲线的分析,验证了该控制方法在无尾飞控系统应用中的可行性。     

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。     

自适应模糊-滑模控制在重构飞行控制中的应用

 论述了综合运用非线性动态逆、自适应模糊系统和滑模控制的优点进行飞行控制律设计的方法。运用非线性动态逆理论对非线性系统进行近似线性化 ,用模糊自适应系统来抵消近似非线性逆带来的误差 ,最终的残差由滑模控制项补偿。根据李亚普诺夫稳定性理论推导了自适应系统权值的调整规律 ,从而保证了闭环系统的稳定性。将此方法应用于带推力矢量飞机重构飞行控制 ,对两类故障的仿真结果表明 :即使系统未检测到故障 ,在较大的舵面损伤情况下 ,飞控系统性能仍能得到很好的保持。     

大型飞机飞控系统舵面偏角检测非线性补偿技术研究

根据大型飞机结构特点及飞行控制系统的要求,提出了基于线性可变差动传感器(Linear Variable Differential Transducer,LVDT)舵面偏角检测思路。针对大型飞机飞控系统中LVDT安装带来的非线性问题,根据LVDT工作原理和三角几何原理,提出一种面向大型飞机飞控系统舵面偏角检测的LVDT安装模型和非线性补偿算法。该算法经过试验验证,能够有效降低LVDT安装带来的非线性,为后续飞机舵面偏角的测量提供参考依据。     

基于动态逆的综合非线性飞行控制方法

在解决非线性飞行控制问题中,动态逆控制方法已成为一种流行的控制方法.文中以动态逆控制方法为基础,使用神经网络控制与动态非线性阻尼控制综合的控制方法进行补偿,以提高非线性飞控系统的鲁棒性.在以某型推力矢量飞机为对象的仿真中,这种方法显示出很强的非线性控制能力和鲁棒性.     

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。     

模糊数学在飞机飞控系统故障诊断的应用

基于A320系列客机飞控系统,分析了飞机系统故障诊断的特点,建立了针对飞控系统的故障诊断系统,并且设计了数据库服务。应用模糊数学的方法建立了专家系统,使飞机故障诊断系统更具有实用性和科学性,为飞机故障诊断提供一种比较有效的方法。     

过失速机动飞机的鲁棒非线性控制律设计

 采用非线性动态逆和结构奇异值综合方法设计了过失速飞行条件下飞控系统控制律,解决了飞控设计中面临的非线性和鲁棒性问题。应用非线性动态逆的目的就是对过失速机动飞行条件下高度非线性的飞机动力学进行线化;从而围绕线性的快逆回路应用结构奇异值综合方法设计相应的鲁棒控制器,以提供对驾驶员指令的鲁棒跟踪。所设计的飞控系统将达到期望的飞行品质,确保系统对过失速机动飞行过程中因非定常气动力效应引起的系统参数摄动鲁棒性良好。高逼真度、非线性的仿真验证了这一点。     

飞控系统极限环抑制对

舵机是电传飞控系统中非线性因素的重要组成部分,若参数选择不当,常会发生稳态不衰减的小幅值极限环振荡现象。应用非线性控制理论,将飞控系统稳定性要求转化为对舵机的幅频特性、相频特性和不灵敏区范围要求,从而通过舵机设计达到抑制极限环的目的。仿真结果表明,该方法简单、实用,具有较高的工程应用价值。     

微小型直升机非线性鲁棒控制器设计

针对含有未建模动态的微小型直升机非线性模型,设计了基于反步法和自适应模糊系统的自主飞行控制器.该控制器包含两个回路:航迹控制外回路和姿态控制内回路.外回路通过旋转矩阵实现对内回路姿态的控制,而非传统的欧拉角或姿态四元数.控制器采用自适应Takagi-Sugeno(TS)模糊系统在线补偿系统未建模动态的影响,并利用反步法完成控制器综合.所设计的算法在确保整个控制系统稳定性的同时又可保证系统能够有效应对未建模动态的影响.系统仿真结果表明,在盘旋上升飞行模态下控制系统能够快速准确地跟踪预设轨迹,并且具有良好的鲁棒性能.     

模糊自适应过失速飞行控制

研究了带推力矢量飞机过失速非线性飞机控制问题。根据奇异摄动理论将受控变量分为快变量和慢变量，然后分别对内环和外环进行设计，外环利用滑动面控制进行设计，内环利用模糊逻辑系统的万能特性来抵消近似非线性动态逆所带来的误差，根据李亚谱诺夫稳定性理论了模糊系统权值的自适应调整规律，从而保证闭环系统的稳定性。数字仿真结果表明：在存在较大的模型不确定性以及飞机动力学对状态和控制输入均为非线性的情况下，该控制方案能对指令进行良好的跟踪。     

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。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.     

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.     

Application of neural networks for the design of flight control algorithms. II Adaptive tuning of neural network control law

In this paper, we consider different approaches for the neural network controller tuning in the flight control system. Two of the most common tuning approaches in the adaptive control theory are applied. The first one uses parameter identification technique and consists in solving a real-time regression problem for the control law. The second approach is based on the Lyapunov direct method, which utilizes a tracking error as an absolute measure of tuning performance. The neural network control law are designed for the three-axis flight control problem and tested on the full nonlinear model of a fighter aircraft. Closed loop simulation results are presented and two adaptation algorithms are compared in the case of abrupt change of aircraft dynamics.     

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。     

Modeling and flapping vibration suppression of a novel tailless flapping wing micro air vehicle

This paper establishes and analyzes a high-fidelity nonlinear time-periodic dynamic model and the corresponding state observer for flapping vibration suppression of a novel tailless Flapping Wing Micro Air Vehicle(FWMAV), named NPU-Tinybird. Firstly, a complete modeling of NPU-Tinybird is determined, including the aerodynamic model based on the quasi-steady method, the kinematic and dynamic model about the mechanism of flapping and attitude control,combined with the single rigid body dynamic mod...