高超声速巡航飞行器在线自适应反馈控制设计

由于飞行器模型的强非线性,各种建模不确定性以及飞行环境的复杂性,高超声速飞行器控制成为一个研究难点.针对某类具有参数不确定性的非线性系统,提出了一种反馈线性化与自适应估计相结合的方法,对非线性系统的输入输出动态应用反馈线性化处理以得到拟线性模型,并设计反馈控制律;对不确定参数采用自适应在线估计,利用Lyapunov方法分析稳定性;针对选择不同输出的情况,对如何消除内动态进行了讨论.为了验证该方法的可行性,将其应用于某高超声速飞行器巡航段纵向非线性模型,对速度和高度通道进行跟踪控制仿真,由于飞行器和大气环境存在建模不确定性,利用自适应控制对不确定参数进行在线估计.仿真结果显示该方法能够快速收敛,并且具有良好的在线自适应能力.     

基于本征旋转的刚体姿态跟踪系统滑模控制器

对于转动惯量参数时变和参数不确定以及外部扰动和作用力矩方向偏差的刚体姿态跟踪系统,提出了采用滑模控制的方法.利用误差四元数建立数学模型,通过本征旋转进行反馈线性化得到指令角加速度.设计滑模控制律,实现指令角加速度跟踪.仿真结果表明,所求控制律对刚体姿态跟踪系统具有全局稳定性和鲁棒性.     

基于参数辨识的大型航天器自适应角动量管理

航天器姿态控制/角动量管理(ACMM)通过调整航天器姿态使引起控制力矩陀螺(CMG)角动量积累的扰动力矩相互抵消,从而有效减小用于CMG卸载的燃料消耗.设计的基于在线参数辨识的自适应ACMM控制器由在线参数辨识回路和反馈线性化回路构成.反馈线性化回路通过状态变换以及相应的输入变换,将原ACMM系统精确等价为一线性系统,通过线性控制器的设计得到适用于原系统的非线性控制律.在线辨识回路利用闭环控制信息对航天器质量特性进行辨识,弥补了反馈线性化对系统模型参数敏感的不足.以空间站组合体舱段转移任务为例进行的数学仿真显示,控制器在力矩平衡姿态(TEA)远离对地定向姿态时具有良好控制性能.     

再入飞行器自动驾驶仪的自适应退步控制设计

自动驾驶仪设计的传统方法是基于分段线性化的增益规划法。近年来，以反馈线性化为基础的各种非线性控制技术得到了广泛的研究，文章基于一种不同于反馈线性化的退步控制思想，提出了一种新的非线性反馈自动驾驶仪设计方法，该方法考虑了系统输入的不确定性，采用了非线性在线优化方法保证舵偏与力矩之间更精确的映射，同时，通过引入自适应项以修正各种力矩偏差，利用这种方法，为再入飞行器设计了自动驾驶仪。仿真结果表明，提出的自适应退步控制方法是有效的，且设计过程简单，易于实现。     

基于遗传算法的高速飞行器滑模控制律设计

以高超声速飞行器GHV(Generic Hypersonic Vehicle)的俯仰通道为控制对象,针对其6自由度非线性模型设计了滑模控制律.为了便于应用滑模控制理论,首先对该模型进行了输入输出反馈线性化,将原模型转换成为仿射型.设计好滑模控制律结构以后,基于遗传算法完成了滑模控制律参数设计.该过程利用了随机鲁棒思想,即在随机均匀分布的参数不确定性作用下,通过遗传算法优化滑模控制律参数,使得飞行控制系统失去稳定性和鲁棒性的概率达到最小.仿真表明,该方法可以同时满足飞行控制系统鲁棒性和参数优化过程收敛性的要求.     

变量泵控制变量马达系统变结构控制算法

变量泵控制变量马达系统的速度调节过程相当于变量泵控制定量马达或定量泵控制变量马达,存在系统溢流损失大、调节速度慢和没有发挥系统潜能等缺点.为了克服这些不足,提出基于反馈线性化理论的变量泵变量马达系统变结构控制算法.建立变量泵控制变量马达系统数学模型,并针对系统的相乘非线性,运用精确反馈线性化理论将其线性化;根据该闭式液压系统双变量调速的特点,利用变量马达期望转速和马达排量计算变量泵排量;运用变结构算法进行变量马达转速控制,并进行算法的Lyapunov稳定性证明.仿真表明,基于本控制策略可有效地提高系统的响应速度、减小超调量,而且算法具有较强的鲁棒性.     

基于ADRC姿态解耦的四旋翼飞行器鲁棒轨迹跟踪

针对欠驱动四旋翼飞行器的控制特性,提出一种基于自抗扰控制(ADRC)的姿态解耦控制算法,该算法可以克服传统欠驱动四旋翼控制方法中存在的问题,如系统状态间耦合严重,抗干扰能力弱及系统建模误差对跟踪性能影响较大等弱点.该算法利用扩张状态观测器(ESO)实现状态间耦合项的跟踪和估计,同时ESO也可实现对系统干扰的估计,干扰包括系统内扰和外扰.利用动态反馈线性化将非线性MIMO系统转化成线性SISO系统,然后利用非线性反馈控制律实现四旋翼姿态系统的高品质控制,在上述姿态解耦控制的基础上研究飞行器的鲁棒轨迹跟踪问题,不同情况下的仿真结果验证了上述姿态控制算法可提高系统轨迹跟踪的鲁棒性.该算法不依赖于精确的系统模型,降低了实际应用的难度,并有很强的抗干扰能力,具有实际应用的价值.      

基于定量反馈理论的飞行仿真转台鲁棒控制

采用定量反馈理论,可以设计具有参数不确定性的飞行仿真转台的鲁棒控制系统.分析和总结了定量反馈理论的基本原理和设计过程.采用QFT设计了某型飞行仿真转台的反馈控制器和前置滤波器,组成了转台的控制系统.实验结果表明,当转台的负载发生变化时,系统仍然能够保持良好的跟踪性能.这证明了系统的鲁棒性.此外,与PID控制的对比表明,QFT控制能够克服摩擦非线性,具有良好的抗干扰性能.QFT在飞行仿真转台上的成功应用说明了该方法具有工程实用价值.      

基于误差四元数分解的刚体姿态跟踪滑模控制

对于转动惯量参数时变和参数不确定以及外部扰动和作用力矩方向偏差的刚体姿态跟踪系统,文章提出了采用滑模控制的方法。利用误差四元数建立数学模型,通过误差四元数分解进行反馈线性化得到指令角加速度;设计滑模控制律,实现指令角加速度跟踪。仿真结果表明,文章所求控制律对刚体姿态跟踪系统具有稳定性和鲁棒性。     

类X-20高超声速飞行器反馈线性化控制研究

通过对类X-20高超声速飞行器的气动系数与高度、马赫数、攻角、侧滑角和舵偏角的关系进行分析,对各项气动系数进行了简化和拟合,并将舵偏增量视作控制输入,在此基础上建立了类X-20飞行器仿射非线性形式的控制模型,证明了它是可以输入输出精确线性化的,从而可以设计反馈线性化控制器.最后在存在大气密度、气动力矩系数和转动惯量不确定性情形下,针对原动力学模型进行闭环仿真研究,原动力学模型考虑地球旋转,气动数据直接从类X-20飞行器的气动数据表插值得到.仿真结果表明,所设计的控制律可以实现控制目标,具有较强鲁棒性.     

基于backstepping/RHO的变体飞机控制器设计

为了确保变体飞机在变体过程中的飞行稳定性,提出了一种并行修正控制器设计方案.采用backstepping方法进行标称控制器设计,提供基本的飞行稳定性和跟踪性能.使用雅可比线性化方法对变体飞机非线性方程进行线性化得到线性化模型,采用基于指令滤波器的滚动时域优化（RHO,Receding Horizon Optimal）方法进行修正控制器设计.在有限时域区间内实时解算修正控制量,对标称控制器进行补偿.从航迹角控制系统仿真结果可以看出,航迹角能够较好地跟踪指令信号,基本不受变体过程的影响,飞行控制系统满足实时性和鲁棒性的要求.     

EHA反馈线性化最优滑模面双模糊滑模控制

为提高电静液作动器（EHA）控制性能,提出了一种反馈线性化最优滑模面的双模糊滑模控制方法。该方法在EHA的非线性模型上,利用反馈线性化方法将其线性化,在此基础上建立线性切换函数,并采用最优控制理论对切换函数进行设计。为削弱抖振将模糊控制算法引入滑模控制中,采用一个模糊控制器,根据最优滑模函数运动特性的数值对切换控制增益进行估计;采用另一个模糊控制器,根据滑模控制原理对切换控制项进行调整。仿真结果证明了该方法的有效性。      

结冰条件下的飞行控制律重构设计方法

针对飞机结冰条件下的飞行安全问题,在线性结冰影响模型的基础上构建了非线性结冰影响模型,并建立了结冰飞机纵向非线性动力学模型。利用反馈线性化理论与模糊控制原理相结合,重构设计了结冰条件下的纵向控制律,既保证了动态响应特性,又改善了控制器的抗干扰能力,使飞机具备一定的容冰飞行能力。通过仿真模拟了飞机在不同结冰严重程度以及干扰下的纵向响应,并与常规PID控制进行对比,验证了设计控制律的有效性和抗干扰能力。结果表明,该设计方案下的各状态参数动态响应均能较快较好地收敛,能更精准快速地跟踪俯仰角指令,且抗干扰能力、动态性能均优于常规PID控制。      

基于随机鲁棒分析的输出反馈特征结构配置

针对输出反馈特征结构配置在参数不确定性系统设计中的鲁棒性问题,提出一种基于随机鲁棒分析的输出反馈特征结构配置优化方法.该方法通过随机鲁棒分析准确度量了闭环系统的鲁棒性,确立控制系统设计要求与待设计参数间的直接联系,并运用优化技术实现闭环系统稳定性与性能间的折衷,最大化控制系统的鲁棒性.通过在某高超声速飞行器横侧向解耦控制系统设计上的应用,验证了该方法的有效性.      

一种非线性鲁棒PID控制器设计方法

针对一类非线性不确定系统,提出了一种基于PID(比例-积分-微分)控制的鲁棒控制方法.整个控制器由PID控制器和一个鲁棒补偿器构成.首先,基于系统的标称模型设计PID控制器;然后在PID控制的基础上,设计一个辅助鲁棒补偿器,用于补偿系统非线性、参数摄动和外界扰动等对系统控制性能的影响.补偿器的设计基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论进行,从而保证了闭环系统的鲁棒稳定.采用该方法对倒立摆跟踪问题进行了仿真控制,仿真结果验证了设计方案的有效性.