基于轨迹线性化的无人直升机轨迹跟踪控制

针对无人直升机非线性、强耦合的特点,将轨迹线性化的方法应用到无人直升机的轨迹跟踪当中。首先对无人直升机的六自由度刚体模型进行简化,将其转化为四个等效的仿射子系统;然后以位置运动学子系统为例按照轨迹线性化的方法通过开环前馈求伪逆和闭环反馈调节跟踪误差进行控制律的详细设计;最后给出某型民用无人直升机跟踪两种典型轨迹的仿真结果,验证了应用轨迹线性化方法进行轨迹跟踪的有效性。     

快速模型预测控制用于微型直升机航迹跟踪

为实现微型共轴无人直升机(MCUH)的航迹跟踪,考虑系统的状态和输入约束,利用非线性模型预测控制(NMPC)技术设计一种快速在线的控制器。首先,简化MCUH的非线性模型,利用系统的微分平坦特性生成满足直升机动力学的可行航迹,沿着该航迹对系统进行线性化,得到近似直升机非线性动力学的线性时变(LTV)模型。然后,将传统输出航迹跟踪NMPC问题转化为LTV-MPC优化问题,降低问题的复杂度,为确保航迹跟踪误差系统的指数渐近稳定,分别设计终端域和终端罚值。最后,通过数值仿真,验证快速在线NMPC策略的可行性。结果表明:设计的预测控制器误差控制精度高、求解速度快,可实现对有约束的时变航迹的跟踪。     

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。     

无人直升机非线性控制器设计

直升机作为一种特殊的飞行器,其非线性运动特性强,稳定性差,各通道的耦合性严重。针对直升机的特点,将非线性反馈线性化的方法运用到直升机的控制中,通过该方法得到解耦的直升机伪线性模型,采用经典的LQR线性最优二次型设计方法设计状态反馈控制器。仿真结果表明,设计的控制系统具有良好的性能,满足控制要求。     

基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制

针对四旋翼无人机在系统内部模型参数不确定性情况下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于滑模控制的四旋翼无人机自适应跟踪控制方法。首先,采用单位四元数来描述系统姿态,将系统分解为位置子系统和姿态子系统;考虑到位置子系统的欠驱动特性,引入了虚拟控制力,跟踪位置信息并解算出实际升力和理想姿态;其次,通过自适应滑模控制器补偿了质量和转动惯量的不确定性,实现了轨迹的跟踪;最后,利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明了算法的有效性。     

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。     

基于参数依赖的直升机LPV鲁棒变增益控制

针对直升机飞行状态量在全飞行包线内动态变化的问题,设计了一种鲁棒变增益控制方法。在直升机非线性模型的基础上,研究了直升机前飞状态下的纵向线性参数变化(LPV)模型,并引入参考输入,将已建立的模型增广为仿射参数依赖LPV模型;运用鲁棒变增益仿射参数依赖Lyapunov函数的方法对该模型进行控制律设计,并验证了其稳定性;最后通过数值仿真验证了所设计控制器的实时性与鲁棒性。研究结果表明,该方法有效降低了单一Lyapunov函数所带来的保守性,可以用于直升机LPV模型的鲁棒控制与状态量跟踪。     

粒子群算法在机动指令跟踪控制器中的应用

基于Backstepping的设计思想设计了机动轨迹跟踪控制律,以实现战机某些预定的战术机动动作。首先,将飞行动力学模型和运动学模型分解为三轴方向的相对简单的子系统,然后采用反步法分别设计控制律,使得整个系统渐近稳定。由于控制器中含有可调参数,每次跟踪不同的参考轨迹都需要重新设定控制器参数值才能达到良好的跟踪效果,因此利用粒子群算法对控制器参数进行了优化整定,从而保证控制器的自适应性。最后,以机动动作库中战机的某些机动动作为参考轨迹实现全局渐进跟踪,取得了良好的跟踪效果,验证了粒子群算法在控制器参数寻优中的有效性和可行性。     

基于神经网络的无人直升机姿态控制系统设计

首先根据模型参考自适应控制理论,将模型逆与在线神经网络结合,设计了神经网络自适应姿态控制系统。接着叙述反馈线性化及模型逆理论,分析系统的模型跟踪误差动力特性,设计神经网络控制器及在线算法。然后以某无人直升机俯仰通道为例,对神经网络姿态控制系统进行仿真。结果表明该系统能够对未建模特性、参数不确定性等引起的模型逆误差进行自适应,而且在传感器输出中具有白噪声时仍然能够获得较好的响应特性。     

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.     

小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制研究

以某小型无人直升机为对象,采用分体法分析了机体各部分受力情况。根据力与力矩的平衡关系,获得了无人直升机完整的非线性飞行动力学数学模型。基于所建模型,进行了所有飞行状态下无人直升机的配平计算。根据配平结果,获得了悬停时的线性状态空间模型,在考虑风扰动前提下,采用H∞静态输出反馈控制方法对无人直升机内外回路控制器进行了设计。仿真结果表明,所建模型的配平结果与实际直升机特性基本相符,验证了模型的有效性;H∞综合控制方法较好地实现了对扰动下无人直升机状态的控制,表明该算法具有良好的鲁棒性、解耦性及跟踪特性。     

基于ILMI的直升机悬停控制律设计

提出了一种新的直升机悬停控制律设计方法。在建立了直升机数学模型后,通过迭代线性矩阵不等式方法(ILM I)求解基于线性二次型的直升机悬停控制律,使得直升机能达到满意的悬停性能指标,并且明显降低了控制器的保守性。仿真结果表明,使用该方法设计的控制器同时满足动态性能指标和稳态性能指标,与使用标准线性二次型方法设计的控制器相比,其性能指标在横侧向提高了12.3%,纵向提高了13.7%。     

基于飞行品质评估的无人直升机鲁棒控制器设计

提出了一种改进的无人直升机H_∞回路成形鲁棒控制器设计方法。首先将系统辨识技术引入到无人直升机高带宽控制器设计,根据飞行扫频数据,得到包含直升机动力学模型耦合特性的非参数频率响应,依据频率响应拟合待辨识模型得到无人直升机高精度的飞行动力学模型。然后根据该模型,采用改进的H_∞回路成形方法设计了无人直升机内回路控制器,针对H_∞回路成形方法中权值矩阵选取困难的问题,利用了最大右约数(GCRD)方法以实现实际系统和期望系统的传递函数矩阵之间的转换。与传统的对角型权值矩阵相比,使用此方法成形后的系统具有更宽的鲁棒稳定裕度,系统的解耦性和频带也显著提高,而且可以大大降低设计人员选取权值矩阵的复杂性和盲目性。通过仿真验证,所设计的无人直升机系统的飞行品质满足军用标准ADS-33E中一级区域的要求。     

Sliding mode tracking control for miniature unmanned helicopters

A sliding mode control design for a miniature unmanned helicopter is presented. The control objective is to let the helicopter track some predefined velocity and yaw trajectories. A new sliding mode control design method is developed based on a linearized dynamic model. In order to facilitate the control design, the helicopter’s dynamic model is divided into two subsystems,such as the longitudinal-lateral and the heading-heave subsystem. The proposed controller employs sliding mode control technique to compensate for the immeasurable flapping angles’ dynamic effects and external disturbances. The global asymptotic stability(GAS) of the closed-loop system is proved by the Lyapunov based stability analysis. Numerical simulations demonstrate that the proposed controller can achieve superior tracking performance compared with the proportionalintegral-derivative(PID) and linear-quadratic regulator(LQR) cascaded controller in the presence of wind gust disturbances.     

基于神经网络的直升机协调转弯控制律设计

针对直升机协调转弯控制提出了一种控制律设计方法。首先,在小扰动线性模型基础上,建立描述直升机全包线范围内的T-S模糊模型。其次,分析直升机协调转弯机理,确定相应的控制律结构,利用参数优化算法确定控制参数。最后用所得的控制参数样本训练径向基神经网络,实现全包线范围内的连续调参控制律。仿真结果表明,直升机转弯性能完全满足指标要求,所提出的控制律设计方法可行、有效。     

A New Hybrid Control Scheme for an Integrated Helicopter and Engine System

A new hybrid control scheme is presented with a robust multiple model fusion control(RMMFC) law for a UH-60 helicopter and an active disturbance rejection control(ADRC) controller for its engines.This scheme is a control design method with every subsystem designed separately but fully considering the couplings between them.With three subspaces with respect to forward flight velocity,a RMMFC is proposed to devise a four-loop reference signal tracing control for the helicopter,which escapes the closed-loop system from unstable state due to the extreme complexity of this integrated nonlinear system.The engines are controlled by the proposed ADRC decoupling controller,which fully takes advantage of a good compensation ability for unmodeled dynamics and extra disturbances,so as to compensate torque disturbance in power turbine speed loop.By simulating a forward acceleration flight task,the RMMFC for the helicopter is validated.It is apparent that the integrated helicopter and engine system(IHES) has much better dynamic performance under the new control scheme.Especially in the switching process,the large transient is significantly weakened,and smooth transition among candidate controllers is achieved.Over the entire simulation task,the droop of power turbine speed with the proposed ADRC controller is significantly slighter than with the conventional PID controller,and the response time of the former is much faster than the latter.By simulating a rapid climb and descent flight task,the results also show the feasibility for the application of the proposed multiple model fusion control.Although there is aggressive power demand in this maneuver,the droop of power turbine speed with an ADRC controller is smaller than using a PID controller.The control performance for helicopter and engine is enhanced by adopting this hybrid control scheme,and simulation results in other envelope state give proofs of robustness for this new scheme.     

直升机鲁棒控制器的设计研究

提出一种改进直升机悬停性能的控制方案。在直升机悬停控制器原速度回路的基础上增加鲁棒控制器,可提高直升机悬停参数变化的鲁棒性能。详细叙述了鲁棒控制器结合悬停控制器的设计方法,并用仿真结果说明了鲁棒控制器在本算例中所起的作用     

基于模糊PID控制的模型直升机自主返回系统

旨在设计一架具有自主返回模块及增稳模块的模型直升机,该直升机以C805IF020单片机作为机载部分控制器,运用无线收发模块实现与地面站的通信.本文介绍了模型直升机自主返回系统各模块的功能及实现,用系统辨识法分通道建立了直升机模型,详细描述了基于参数寻优的模糊自适应PID控制器的设计方法,运用Simulink进行性能分析...     

弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计

针对大展弦比飞翼布局无人机的刚体运动与弹性运动耦合动力学模型,提出了一种基于反步法的鲁棒非线性控制方法。该方法考虑了飞翼无人机的非线性因素,将动态面反步控制作为内环控制抵消系统的非线性因素;同时考虑系统实际存在的弹性耦合项、参数不确定项以及外部扰动,将内环反步控制与飞翼无人机模型整体作为新的被控对象,引入最优化理论对新的被控对象设计了外环鲁棒控制器。仿真结果表明,所提出的控制器不仅满足飞翼无人机姿态跟踪性能的要求,且对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性。