变翼展飞行器平滑切换LPV鲁棒H_∞控制

研究了一类翼展可变飞行器平滑切换线性变参数(LPV)H_∞控制问题。选取翼展变形率为时变参数,并将时变参数取值区间划分成具有局部重叠特性的子区间,得到变体飞行器的切换LPV模型。设计平滑切换控制器,其中重叠子区间控制器由相邻子区间控制器插值得到。给出了保证切换LPV系统指数稳定且具有一定H_∞扰动抑制水平的充分条件,考虑时变参数的渐变特性,得到没有最小平均驻留时间限制的切换律,降低了设计保守性。仿真结果表明,所提方法既能保证飞行器系统在变形过程中的稳定性和鲁棒性,又能实现系统的平滑切换。     

基于误差逼近器的巡航飞行器反步控制

针对巡航飞行器在飞行过程中系统特征及各项参数时变、对控制系统强非线性的情况,设计了一种以反步法为基础的误差逼近鲁棒非线性系统。首先,对巡航飞行器建立6-DOF非线性模型,根据反馈线性理论,将系统转化为含有误差项的严格反馈MIMO系统。其次,利用Backstepping设计控制律和误差逼近律,在虚拟控制律设计中引入动态面法来避免多重微分运算,以解决"项数膨胀"问题。最后,运用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统有界且跟踪误差指数收敛于零的一个邻域内。通过飞行器飞行仿真,结果表明控制器在外界未知干扰下具有很强的稳定性和鲁棒性。     

多饱和约束拦截弹参数时变系统控制器设计

针对拦截弹参数时变和执行机构饱和非线性影响控制系统性能,提出基于齐次多项式参数相关 Lyapunov 理论和非线性矩阵微分方程凸多面体转换算法相结合的鲁棒最优控制系统设计方案。 通过引入标准饱和约束算子,建立控制系统数学模型并给出控制系统结构;引入饱和归一化因子,把非线性参数时变微分方程转化成线性多胞型微分方程;基于齐次多项式参数相关Lyapunov理论和拓展Pólya’s定理,把参数时变多胞型微分方程转换成齐次多项式参数相关微分方程,并给出齐次多项式参数相关控制器结构;利用迭代算法把非线性矩阵不等式转换成线性矩阵不等式(LMIs),进而基于LMI凸优化理论获得控制器解,设计出的控制器是关于齐次多项式阶次g和Pólya’s松弛度d的函数;通过定点和制导控制系统仿真校验了该算法,仿真结果表明随着齐次多项式阶次g和Pólya’s松弛度d的增加,设计出的控制器在确保系统稳定的前提下改善控制系统性能。     

移动质心再入飞行器姿态的无源性控制

从能量的观点研究了再入飞行器的移动质心控制方案。由于受移动质量块大小和位移的限制,移动质心控制方式不能像空气舵一样产生很大的控制力矩。采用基于能量的欧拉-拉格朗日法,在飞行器坐标系内推导了单质量块移动的七自由度动力学方程。在对动力学方程进行合理简化的基础上,采用无源性控制设计了俯仰平面的姿态控制器。状态反馈跟踪控制采用了能量形成加上阻尼注入的PD+(PD Plus)控制思想。在控制律推导过程中,直接考虑了动力学系统的非线性。通过Lyapunov函数证明了控制器能使系统全局渐近稳定。对非线性系统再入飞行控制仿真结果表明,即使存在风干扰和参数时变情况下所设计控制器也有满意的性能。     

机电伺服系统重复学习控制器设计

设计了一种p+A-Type ILC位置环重复学习控制器,并成功应用于某一需求高速高精度实时控制的机电伺服系统中,伺服控制技术采用经典的基于转子磁场定向的矢量控制技术,速度环控制器和电流环控制器采用经典的PI控制器,位置环采用p+A-Type ILC控制器,其中p控制器用于随机干扰的抑制,AType ILC用于伺服作动器重复往返运动以及固有的偏心质量等时变非线性负载的负载惯量和有规律干扰的补偿,并进行了与经典P位置控制器的对比试验验证。实验结果表明:采用本项目的控制器使得位置超调比采用P控制系统降低了50%,实现了高速高精度的实时控制,满足了伺服系统时变非线性负载下的不同工况需求,系统鲁棒性大大提高。     

挠性航天器姿态跟踪非线性PID控制技术研究

研究了挠性航天器姿态跟踪的非线性PID控制技术.基于误差四元数的动力学和运动学方程,运用Lyapunov稳定性理论设计了新型的航天器非线性PID控制器.控制器不仅具有非线性特点,而且比例参数具有时变的特性,能够根据误差的大小自行进行调整,因此比常规PID控制器具有更好的控制效果.另外,控制器可调参数少,计算简单,工程上易于实现,数学仿真证明了控制方法的有效性.     

基于扰动观测器的巡航飞行器指数时变滑模控制

针对巡航飞行器非线性模型具有快时变、强耦合和高度非线性的特点,在考虑飞行过程中可能存在的气动参数以及大气密度不确定性情况下,提出了一种高精确、强鲁棒控制方法。通过将扰动观测器与指数时变滑模控制方法结合,构造了一种基于扰动观测器的巡航飞行器指数时变滑模控制设计方法,并利用Lyapunov理论分析了采用该控制律后整个闭环系统的稳定性。该方法能够有效地减小采用边界层方法来处理滑模抖振问题时所引入跟踪稳态误差,提高系统控制精度。最后,通过仿真验证了所提出方法的有效性。     

临近空间飞行器的滑模变结构解耦控制

建立了临近空间滑翔飞行器六自由度运动模型,针对模型具有的快时变、强耦合、强非线性和不确定性特点,应用动态逆方法和滑模变结构控制方法分别设计了内环解耦控制器和外环鲁棒控制器,实现了解耦性与鲁棒性的有机结合,显著提高了控制系统性能.内环采用反馈线性化方法实现了姿态运动模型的伪线性化;外环滑模变结构控制器采用等速趋近律,采用饱和函数法抑制抖振现象,有效抑制外界干扰和参数偏差.仿真结果表明:基于动态逆的滑模变结构控制系统可以准确跟踪攻角、侧滑角和倾侧角指令,对外界干扰和参数偏差具有较强的鲁棒性.     

基于微分平坦的升力式再入飞行器鲁棒姿态控制一体化设计

针对升力式再入飞行器飞行过程中非线性、强耦合、快时变特性和外界干扰给姿态控制系统带来的挑战,提出了一种基于微分平坦的鲁棒姿态控制一体化设计方法。首先建立了升力式再入飞行器的姿态运动非线性数学模型,证明了该模型具有微分平坦性质。基于系统的平坦特性,通过微分同胚变换将模型转化为积分串联形式。在此基础上整体设计姿态控制器,实现姿态控制的一体化设计,相对于传统的时标分离方法,能更大限度地利用系统的性能,达到更好的控制效果,同时简化控制器设计过程,提高控制器设计效率。将非线性、强耦合、快时变造成的系统不确定项和外界干扰视为总扰动,设计了基于扩张状态观测器的补偿器,对总扰动进行动态观测并在控制器中实时补偿。仿真结果表明,提出的方法具有良好的姿态跟踪性能和较强的鲁棒性。     

带攻角约束的高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对带攻角(AOA)约束的高超声速飞行器控制问题,提出一种基于非对称时变障碍函数的非线性自适应反步控制方法。首先,将飞行器模型化为严反馈形式,以反步法为基础进行控制器设计。然后通过光滑饱和函数对名义攻角指令信号进行限幅,并保证限幅信号的可导性,限幅产生的误差通过设计辅助系统进行补偿。进而使用障碍函数对攻角指令跟踪误差进行非对称时变约束。针对不确定性和干扰,设计新型自适应律对集中干扰上界进行估计并补偿。最终通过Lyapunov理论证明了闭环系统状态量一致最终有界并且攻角始终满足时变约束。仿真结果表明,本文方法能够在满足攻角约束基础上保证良好跟踪性能。     

高超声速飞行器Terminal滑模控制系统设计

针对高超声速飞行器模型的强非线性、快时变、强耦合和强不确定性,提出了基于动态逆和Terminal滑模控制的制导/姿控一体化设计方法.该方法将动态逆控制的非线性解耦能力与Terminal滑模控制的强鲁棒性有机结合,实现了模型的反馈线性化和多通道解耦,保证高超声速飞行器在存在参数不确定性和外界干扰的条件下实现稳定飞行.仿真结果表明该控制方法对高超声速飞行器是可行的.     

电磁信号在时变等离子体中传播的调制效应

近期有研究文献表明,高速飞行器等离子鞘套由于姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,其等离子体参数可能存在时变特性。针对电磁波在时变等离子体中的传播问题,在经典色散介质传播理论中引入了时变参数项,得出了调制效应与等离子体参数、载波频率的关系;在此基础上对载波频率为35GHz和12GHz时QPSK信号在时变等离子体中的传播进行仿真,结果表明：时变等离子引起的调制效应会使调相信号的星座图发生旋转;提高载波频率有助于减弱调制效应,减少星座点的交叠,误码率降低。     

基于参数自整定模糊PID控制的大型液压源温控系统设计

根据液压源温度控制系统的非线性、时变的大滞后特性,采用参数自整定模糊比例积分微分(PID)控制算法,通过模糊推理在线调整PID的3个参数,给出了PID参数在线整定原则和模糊控制器设计。仿真结果表明:用该法设计的控制器较传统PID控制器有更好的动态性能和鲁棒性。不同工况的实验验证其液压源油温控制精度达到文献[1]的B级要求(±2℃)。     

基于观测器的高超声速飞行器模糊自适应控制

针对高超声速飞行器输出跟踪问题,提出了一种基于观测器的分层模糊自适应鲁棒控制器的设计方法。本文设计了一种基于分层模糊系统的间接自适应控制器,减少在线辨识参数的数量;同时设计非线性干扰观测器(NDO)对系统复合干扰进行估计补偿;最后引入鲁棒补偿控制项,克服传统非线性干扰观测器的限制条件,并利用Lyapunov理论证明了整个系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅能够保证高超声速飞行器具有良好跟踪性能,而且具有很强的鲁棒性。     

再入机动飞行器自适应轨迹线性化控制

针对一类多输入多输出模型不确定系统,提出了一种基于广义模糊神经网络的自适应轨迹线性化控制方法(ATLC).针对再入机动飞行器(MRV)进行了控制器设计和分析.MRV气动参数存在较大的不确定,这会导致轨迹线性化控制器(TLC)鲁棒性能下降.利用广义模糊神经网络(G-FNN)在线补偿系统的非线性建模不确定,改善了控制器性能.基于Lyapunov稳定性理论,证明了ATLC闭环控制系统的稳定性.仿真结果表明自适应轨迹线性化控制系统在飞行器气动参数大范围摄动时仍具有鲁棒性和稳定性,验证了所提出的控制策略的有效性.     

高超声速飞行器的抗饱和切换控制

针对高超声速飞行器动力学模型强非线性及飞行过程中系统参数变化剧烈的问题,提出一种根据飞行包线分区并分别建立独立的子系统的切换系统建模方式和抗饱和切换控制方法。通过缩小子系统模型对应的飞行空域,降低系统线性化以及参数变化带来的影响,使得线性控制理论能够应用于高超声速飞行器的控制器设计当中。考虑到飞行过程中可能会遇到的执行器饱和问题,本文在切换系统模型的基础上,为高超声速飞行器设计了抗饱和切换控制器。仿真算例验证了提出的切换系统模型的优越性及抗饱和控制器的有效性。     

迎角受限的高超声速飞行器固定时间鲁棒控制

针对高超声速飞行器动力学模型强耦合、非对称时变迎角限制、气动参数高度不确定以及跟踪误差收敛速率要求高等问题,设计了一种考虑非对称时变迎角限制的高超声速飞行器固定时间非奇异切换控制策略。为了解决非对称时变迎角限制问题,首先限制迎角虚拟控制器的幅值并设计固定时间误差补偿系统补偿迎角虚拟控制器饱和带来的不利影响,然后设计了一种新的光滑切换的非对称时变障碍函数限制迎角跟踪误差,从而使迎角满足非对称时变限制。光滑切换技术以及固定时间收敛技术也应用于其他虚拟控制律和实际控制律的设计中,以避免奇异值问题并且保证闭环系统的固定时间稳定。此外,设计了一种固定时间稳定的鲁棒补偿器用以补偿系统不确定性带来的不利影响。严格的数学推导证明了本文方法的正确性,仿真结果验证了本文方法的有效性和优越性。     

采用改进模拟退火算法的高速飞行器随控总体优化方法

选取翼身组合体气动布局的高速飞行器为研究对象,基于已建立的飞行器总体参数与气动非线性/耦合性等随控性指标间的表征数学模型,开展高速飞行器的随控总体优化方法研究,使得飞行器在全弹道上所有特征点处的非线性度/耦合度的最大绝对值达到最小。为改善经典模拟退火算法的全局搜索能力, 提高退火算法的趋优避劣性,引入精英集合策略。算法测试结果表明：改进模拟退火算法比经典模拟退火算法具有更好的收敛稳定性和收敛速度。算例飞行器的随控总体优化结果表明：飞行器在全弹道上的非线性度m α  NL 、耦合度C xy 、C yx 分别改进了90.6%、99%、36.5%,取得了较好的优化效果。     

基于逆动态和变结构理论的空间飞行器大角度机动控制

针对飞行器大角度机动的控制问题具有强耦合、高度非线性、参数不确定性等特点,本文首先利用逆动态控制的非线性解耦能力对系统进行非线性解耦,然后基于变结构控制的鲁棒性进行控制器的设计,并在MATLAB环境下进行了仿真研究。仿真结果表明,该控制方法在有外界干扰和系统参数不确定的条件下具有较快的收敛性和一定的鲁棒性。     

变结构近空间飞行器大飞行包络控制特性研究

针对近空间飞行器大包络、多任务模式飞行运动,结合通用高超声速飞行器确立了近空间飞行器不同飞行阶段的机体结构,详细建立了气动参数由攻角、马赫数与控制舵面偏转最表示的12状态动力学方程,绘制了不同飞行阶段气动参数随攻角、马赫数的变化曲线,建立了近空间飞行器的大包络运动控制模型,而后研究了不同机体结构与飞行状态下的控制特性和各通道耦合性质,表明该系统可以有效用于全程强鲁棒稳定飞行控制系统的设计与仿真测试,充分体现了近空间飞行器非线性、时变、耦合等飞行运动特点,仿真验证表明了研究结果符合现有分析结果.