非对称结构损伤飞机鲁棒容损控制器设计

当飞机发生非对称结构损伤时,飞机的质量、重心位置和气动特性都会发生突变,飞机机体的对称性遭到破坏,致使飞机的横纵向间运动产生强烈的耦合。针对飞机发生非对称结构损伤时导致的飞行控制问题,建立了非对称结构损伤飞机的损伤模型,并基于一种新型鲁棒容损控制策略,采用非线性扩张状态观测器和非线性动态逆相结合的方法,对飞机的姿态控制器进行了设计,兼顾了飞机系统的性能和对损伤的鲁棒性。最后,基于NASA的通用运输机模型,对所设计控制器的控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明,设计的姿态控制器有效地抑制了非对称结构损伤给飞机控制系统带来的不确定性和扰动,具有较好的控制性能。     

高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用

高阶微分反馈控制是不依赖系统精确模型的控制策略,采用控制滤波器间接补偿系统的未知模型。但其中的高阶微分器没有用来估计系统的未知模型函数,采用的是间接补偿未知模型函数方案。改进了高阶微分器,将控制输入引入其中,既能实时估计非线性模型中的未知函数,也能估计系统输出及参考输入的微分信息。对比分析了改进的高阶微分器和扩张状态观测器所估计的未知函数的收敛性,证明前者的型别比后者高一个类型。应用估计的微分和模型函数设计了新的高阶微分反馈控制算法,该方案能够抑制未知扰动,并成功地应用于四旋翼飞行器(QUAV)姿态系统的控制。应用Lyapunov函数从理论上证明了闭环系统的稳定性。在基于Pixhawk的控制测试平台实验中,分别采用改进的高阶微分反馈控制、PID控制、自抗扰控制和传统的高阶微分反馈控制方案,测试四旋翼飞行器对不同参考姿态的跟踪性能和抗扰性能。结果表明,所提出的改进高阶微分反馈控制方案,在暂态性能,稳态跟踪精度和抗干扰鲁棒性方面,大幅度优越于其他方案。     

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明：所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。     

基于MPC和ESO的无人直升机姿态控制

针对无人直升机在干扰下的姿态跟踪问题,提出了一种基于模型预测控制(MPC)和扩张状态观测器(ESO)的复合控制器。首先,对存在扰动的无人直升机姿态通道进行建模;然后,设计了一种模型预测控制器完成无人直升机的姿态跟踪控制,同时,构造扩张状态观测器对姿态模型控制输入进行补偿,实时估计风扰动等外力影响;最后,通过阵风干扰下的仿真试验,验证了所设计控制器的有效性。飞行试验表明,相比于传统PID控制,所设计的MPC-ESO控制器跟踪精度高、响应速度快、抗扰能力强,具有较好的工程应用价值。     

非线性控制系统的观测器线性化和观测器构造

本文研究了非线性控制系统状态观测器的设计问题。首先,通过非线性坐标变换,给出了非线性系统的规范型观测器,然后,研究了观测器线性化问题的可解性,给出了规范型观测器存在的充要条件,并讨论了非线性状态观测器的一种简化设计方法,使得观测器的构造并不需要求解偏微分方程组。所得结果是线性系统观测器理论在非线性系统中的推广。     

新型的速度自适应观测器在直接转矩控制系统中的应用

实现高性能直接转矩控制系统的重要环节是准确地观测异步电机的定子磁链。文中将一种新型的速度自适应磁链闭环观测器，应用于直接转矩控制系统中，取代了传统的积分器，理论证明该系统是超稳定系统。仿真与实验表明，该方案电机磁链观测精度高，电机参数鲁棒性好，同时基于磁链观测器所设计的速度自适应辨识方案准确性好，收敛速度好，使系统在较低转速下仍能保持优良的性能。本系统针对1．1kW异步电机，采用数字信号处理器DSP（TMS320C32）进行了数字化实现，实时控制 软件是采用C语言和汇编语言混合编程实现的。     

基于扰动观测器的无人机固定时间编队协同控制

针对无人机的编队控制问题,基于虚拟领航者编队方法,提出了 1种基于固定时间超螺旋干扰观测器的反步控制策略。首先,设计了 1种固定时间超螺旋扰动观测器,以保证在固定时间内,对无人机编队机动所受扰动的快速观测;其次,针对编队控制问题,设计了基于超螺旋扰动观测器的反步控制策略,该控制器显著降低了抖振效应;然后,使用李雅普诺夫理论和固定时间理论,分析了控制策略的固定时间稳定性;最后,通过仿真算例验证了所提出的控制策略的有效性与可行性。     

基于观测器的鲁棒稳定控制器设计的新方法

本文研究了线性时变不确定系统的鲁棒观测器问题，针对满足匹配条件的系统，给出一种基于现测器的鲁棒稳定控制器设计的新方法。该方法的特点是，在控制器设计阶段利用Ｒｉｃｃａｔｉ方程代替了Ｌｙａｐｕｎｏｖ方程，对于标称非Ｈｕｒｗｉｚｅ系统不需预先设计补偿器。与现有的一些方法相比，按本文方法设计的鲁棒控制器其算法简单且能容许较大的系统不确定性。文中给出的数值例说明了这种方法的有效性。     

基于快速模糊干扰观测器的UASV再入Terminal滑模控制

针对无人空天飞行器再人大气层过程中气动参数变化剧烈、控制精度要求高的特点，设计了基于快速模糊干扰观测器的Terminal滑模控制方案。通过改进传统模糊干扰观测器的学习律，提出一种快速模糊干扰观测器，增强了其在线逼近干扰及系统不确定的能力。Terminal滑模的有限时间收敛特性提高了系统跟踪速度，同时采用快速模糊干扰观测器消除全部扰动的影响，从而保证了飞行品质。最后，仿真结果表明了快速模糊干扰观测器的优越性及闭环控制方案的有效性。     

利用奉献观测器诊断红外地球敏感器故障的新方法

卫星闭环控制系统中不同敏感器的故障定位是自主故障诊断的难点。基于双观测器的方法能够分离光学敏感器和惯性敏感器的故障,却仍不能确定红外地球敏感器是否发生故障。奉献观测器适用于敏感器系统的故障定位,但由于该方法要求的能观性条件在实际工程中有时难以满足,使其应用受到限制。本文提出了一种利用奉献观测器诊断敏感器故障的新方法,先对不完全能观系统进行能观性分解,再对能观子系统设计奉献观测器,克服能观性条件的限制,实现敏感器故障诊断。最后,将该方法用于卫星红外地球敏感器的故障定位,仿真结果表明,该方法可有效诊断地球敏感器的故障。