变论域模糊控制在无人飞行器马赫数控制中的应用研究

针对无人飞行器的控制要求,提出了一种增量式变论域模糊智能控制算法。该算法具有调节裕度大、鲁棒性强的特点,适用于非线性控制系统,解决了无人飞行器巡航马赫数缓慢升高不能稳定跟踪目标值的问题。通过模拟飞行轨迹的半实物仿真试验,验证了模糊智能控制算法的控制效果,试验结果表明,通过采用模糊控制方法大大提高飞行马赫数控制的动态性能,满足无人飞行器控制系统设计要求,取得了较好的控制效果。      

推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

对于采用吸气式超燃冲压发动机的高超声速飞行器,其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响,从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究,以简化的飞行器纵向模型为对象,考虑结构弹性、非定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用,建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力,基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明,考虑发动机推力的耦合影响后,飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变,气动伺服弹性稳定裕度下降可达16%,应当引起飞行控制系统设计部门的重视。     

基于模型跟踪的弹性飞行器鲁棒控制律设计

针对一种大弹性效应飞行器的控制问题进行研究,该类飞行器的首阶弹性振动频率极低,接近于短周期模态。高阶弹性飞行器的动力学特性与刚性飞行器存在本质的差别,无法利用传统控制方法达到要求的飞行品质,而且抗干扰性和鲁棒稳定性更差。将模型跟踪方法与H∞混合灵敏度方法结合,设计了考虑气动弹性影响的综合飞行控制律,并针对弹性飞行器的特点设置输入、输出权函数,对飞行品质、抗干扰性和鲁棒性等多个设计目标进行折衷。计算结果表明,该方法可以满足弹性飞行器控制多方面的设计要求。     

战术导弹气动伺服弹性滑模控制技术

为抑制弹体弹性振动引起的控制系统品质恶化,建立了高精度弹性动态模型,采用模态自适应结构滤波技术,在极点配置优化控制参数的基础上,设计了滑模变结构策略,对局部增益进行自适应切换,实现了弹性导弹全包线鲁棒稳定。通过开发弹性弹体非线性集成仿真系统,为导弹气动伺服弹性振荡及失稳现象提供了数字仿真预测与复现手段,以全面验证飞行控制系统的综合性能。高空弹道试验与数字仿真结果表明,开发的非线性仿真系统可信度较高,滑模变结构策略设计合理,控制系统鲁棒性较强,能够抑制包括弹性振动在内的多种不确定性影响。     

一种飞行器弹性新型控制方法研究

针对新一代飞行器长细比增加和结构复杂等特征带来弹性频率变低、预示精度差的现象,提出了一种新型弹性控制方法,解决了传统弹性滤波方法带来的控制系统稳定裕度严重不足、机动能力弱的难题。该方法基于扩维Kalman滤波算法建立了系统方程和输出方程,并进行了仿真。仿真结果表明,能够实现刚体信息的快速提取,而且系统滞后小,能大幅提升飞行器作战边界和控制精度。     

再入飞行器自适应滑模姿态控制系统设计

针对再入飞行器姿态非匹配控制问题,提出了一种新的具有鲁棒性的自适应滑模姿态控制设计方法。首先,基于时标分离原则,将再入飞行器姿态动力学模型分为角度跟踪的慢时变控制子回路和角速度快时变控制子回路。其次,针对两个快、慢控制子回路,将其控制系统模型作为非匹配控制系统,分别设计了自适应滑模控制律,并严格证明了所设计控制系统的稳定性。最后,基于再入飞行器非线性姿态控制系统的数学仿真,在气动数据拉偏情况下,验证了姿态控制方法具有良好的鲁棒性和动态性能。     

高超声速飞行器弹性模态稳定控制方法

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质材料,导致飞行器刚体模态与弹性模态的耦合问题突出。针对该类飞行器的弹性模态稳定问题,提出了一种新的弹性模态稳定控制方法,将弹性模态视为外部干扰,以弹性模态的导数变量作为控制输出,仅通过实际可测的刚体状态参数作为反馈量来设计控制器。仿真结果表明,所设计的控制器能够保证弹性模态稳定,且控制器结构简单、阶数较低。     

变质心再人飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再人飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再人飞行器的控制系统。仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求。     

变质心再入飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再入飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再入飞行器的控制系统.仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求.     

弹性高超声速飞行器振动抑制的自适应控制方法

为抑制弹性高超声速飞行器的结构弹性振动,提出了一种基于自适应结构陷波器的自适应控制方法。该方法利用输入指令和传感器输出的采样信号,采用滚动时域最小二乘方法在线估计振动频率,并用于实时更新滤波器的中心频率,以抑制气动弹性对控制的不利影响,保证控制系统稳定。仿真结果表明,相较最小二乘法,滚动时域最小二乘法的估计更准确且收敛更快,自适应控制方法能够稳定地跟踪控制指令,避免了不稳定现象的发生。     

Robust control design for aerospace applications

Time-domain control design for stability robustness of linear systems with structured uncertainty is addressed. Upper bounds on the linear perturbation of an asymptotically stable linear system are obtained, making it possible to maintain stability by using the structural information of the uncertainty. A quantitative measure called the stability robustness index is introduced and used to design controllers for robust stability. The proposed state feedback control design algorithm can be used, for a given set of perturbations, to select the range of control effort for which the system is stability-robust. Conversely it can be used, for a given control effort, to determine the size of the tolerable perturbation. The algorithm is illustrated with examples from aircraft control and large-space-structure control problems     

满足二次稳定及干扰抑制性能指标的航空发动机H∞控制器设计

对于一类状态及输出矩阵存在结构参数摄动的对象,本文提出了闭环系统满足二次稳定性及干扰抑制性能的动态输出反馈控制器的理论设计方法,随后进行的仿真结果表明,所设计的控制器满足要求。      

智能结构不确定参数系统振动控制及其摄动分析

 结构建模中通常考虑不确定性等因素以确保系统及其控制系统具有良好的鲁棒性,由于参数不确定性引起的系统参数的变化将导致系统性能退化,甚至影响系统内部稳定性,所以不确定性概念在工程结构的分析与设计中起到重要的作用。研究了具有不确定参数系统鲁棒性理论,提出了抑制系统振动的控制规律;基于矩阵摄动法讨论了不确定参数对智能结构系统的影响,并利用不确定性凸模型理论分析了智能结构具有不确定参数系统稳定性的问题,提出了分析含不确定参数系统鲁棒性的方法。算例说明该方法的有效性。     

Sliding mode and shaped input vibration control of flexible systems

In this paper, the vibration reduction problem is investigated for a flexible spacecraft during attitude maneuvering. A new control strategy is proposed, which integrates both the command input shaping and the sliding mode output feedback control (SMOFC) techniques. Specifically, the input shaper is designed for the reference model and implemented outside of the feedback loop in order to achieve the exact elimination of the residual vibration by modifying the existing command. The feedback controller, on the other hand, is designed based on the SMOFC such that the closed-loop system behaves like the reference model with input shaper, where the residual vibrations are eliminated in the presence of parametric uncertainties and external disturbances. An attractive feature of this SMOFC algorithm is that the parametric uncertainties or external disturbances of the system do not need to satisfy the so-called matching conditions or invariance conditions provided that certain bounds are known. In addition, a smoothed hyperbolic tangent function is introduced to eliminate the chattering phenomenon. Compared with the conventional methods, the proposed scheme guarantees not only the stability of the closed-loop system, but also the good performance as well as the robustness. Simulation results for the spacecraft model show that the precise attitudes control and vibration suppression are successfully achieved.     

结构控制设计中具有输出反馈最小范数的极点配置方法

给出了结构控制系统输出反馈极点配置的设计方法,该方法采用鲁棒性分析设计的一些基本步骤,兼顾结构控制系统的鲁棒性和计算的简便。基于鲁棒度量建立状态向量和输出向量参数之间的协调关系,利用 QR分解技术,导出鲁棒极点配置问题的增益矩阵表达式,通过分析该表达式,可以得出本文方法的鲁棒性能够得到保证。将输出反馈极点配置问题转化为非线性最小二乘问题,用 LM方法解出具有最小范数的反馈矩阵。最后将本文方法应用一个 3层结构在正弦载荷作用下的振动控制问题,证实了本文方法的性能     

智能桁架结构局部力和速度复合反馈振动控制研究

研究利用压电主动构件实现智能桁架结构振动阻尼控制的技术。控制策略采用局部积分力和局部速度复合反馈,将测量的压电主动构件弹性内力和两端节点的相对速度,经控制器放大复合后得到压电主动构件的驱动电压,实现智能桁架结构阻尼控制的目的。这种控制方法具有良好的稳定性和鲁棒性。通过一个空间桁架结构的振动阻尼控制实验,结果表明该控制方法是有效的。     

I-O map inversion, zero dynamics and flight control

The trajectory control of aircraft in rapid, nonlinear maneuvers is discussed. Based on nonlinear invertibility theory, a control law is derived to independently control roll, pitch, and sideslip angles using rudder, elevator, and aileron. Integral feedback is introduced in order to obtain robustness in the control system to parameter uncertainty. The stability of the zero dynamics is examined. Simulation results are presented to show that in a closed-loop system, precise simultaneous lateral and longitudinal maneuvers can be performed despite the presence of uncertainty in the stability derivatives     

具有指定闭环极点的最优控制系统鲁棒稳定摄动界

对线性二次最优控制系统,给出了选择适当加权矩阵从而保证系统具有希望闭环极点的方法。加权矩阵可以通过与期望极点有关的变换阵来调节,使得系统具有希望的动态品质。针对这种闭环系统存在不确定扰动时,得出了保证系统稳定的不确定摄动界     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

飞控系统模糊控制器设计及稳定性分析

建立了飞控系统的Ｔａｋａｇｉ－Ｓｕｇｅｎｏ（Ｔ－Ｓ）模糊模型;给出了设计模糊状态反馈控制器,保证闭环系统全局渐近稳定、具有一定衰减率稳定的两个充分条件;提出了采用线性矩阵不等式（ＬＭＩ）方法,将该充分条件转化为对线性矩阵不等式族寻求ＬＭＩ可行解的凸优化问题,得到了稳定性分析和模糊状态反馈控制器设计的新方法。仿真结果表明,所提出的设计方法方便有效,控制器鲁棒性好。