多变量气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性研究

根据现代控制理论,对多输入-多输出气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性进行研究.分别采用小增益原理和最小奇异值理论两种方法,对涉及飞行器互相耦合的横滚和偏航回路的控制系统进行分析,得出了气动伺服弹性系统抵抗建模误差、保持鲁棒稳定的范围.这两种方法都分别给出了稳定性判据,根据判据可以确定其鲁棒稳定性(或稳定裕度).作为系统扰动的表达形式,文中还对系统不确定性矩阵进行了描述.算例是在某ACT战斗机的计算模型上完成的,两种方法的计算结果取得了一致.      

高超声速飞行器纵向系统鲁棒协调控制器设计

飞行器在高超声速阶段,强非线性耦合与不确定性问题给飞行控制系统的设计带来了巨大的挑战。为了研究高超声速飞行器纵向控制系统中的间耦合关系,基于高超声速纵向非线性模型,对其状态变量组与输入变量组进行了耦合采样分析。同时考虑到系统的不确定性提出了一种分层鲁棒协调控制策略。对高超声速纵向的高度和速度子系统设计鲁棒与耦合补偿控制器,对姿态子系统设计鲁棒与耦合转换控制器。利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性。仿真表明该控制方法可以有效的应对纵向系统间的强耦合问题。     

一类面对称飞行器横侧向通道LCDP控制方法

某简洁气动布局面对称飞行器具有大升阻比、横侧向通道强耦合的特性,本文分析了该面对称飞行器横侧向通道耦合控制机理,构建了飞行器横侧向通道系统模型,进行了气动与控制一体化设计,推导了LCDP稳定性判据参数约束条件,结合典型飞行状态进行了仿真分析,结果表明仅用一对水平舵面可以实现面对称飞行器横侧向通道的稳定。     

多旋翼无人飞行器必要建模因素

近年来多旋翼无人飞行器(UAV)成为了小型无人飞行器发展的热门领域,而学界对于多旋翼飞行器飞行力学建模与飞行力学特性分析的研究还相对较少。针对相关研究需求,基于传统旋翼模型,建立了适用于多旋翼无人飞行器的飞行力学模型,并利用此模型对多旋翼无人飞行器悬停模态特性进行了初步分析,结果显示多旋翼飞行器模态稳定性明显弱于传统直升机,且横向Phugoid模态取代了荷兰滚模态。随后利用弱耦合系统理论与纵向模态简化模型,对多旋翼建模过程中的旋翼旋转自由度(DOF)动态特性、入流模型和旋翼气动力矩的建模必要性进行了研究。分析表明,旋翼旋转自由度的动态特性在飞控增稳条件下对全机特性有着重要影响,入流分布对刚性旋翼的俯仰、滚转气动力矩有着决定性作用,而旋翼气动力矩是决定多旋翼悬停模态的重要因素,这三者在多旋翼建模分析中不能忽略。     

吸气式高超声速飞行器耦合运动数值模拟

为了研究吸气式高超声速飞行器在俯仰/滚转两自由度耦合运动下的动稳定性问题,基于气动/运动耦合数值模拟方法并结合理论分析,针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞行器开展了进气道通流状态下强迫俯仰/自由滚转耦合运动数值模拟研究。结果表明:强迫俯仰/自由滚转耦合运动下,滚转通道的动力学方程可以简化为有阻尼的Mathieu方程形式,并且可以求得稳定性边界。理论分析表明:滚转通道的动稳定性与俯仰振荡角频率相关,在飞行器滚转振荡固有角频率附近存在2个临界角频率,当俯仰振荡角频率位于2个临界角频率之间时,滚转通道是动不稳定的。在俯仰振荡振幅较小时,数值模拟结果与理论符合较好,但实际的临界角频率与理论分析求解的值有一定偏差;数值模拟结果表明随着俯仰振荡振幅增大,导致滚转发散的角频率范围变得更宽,且向更高频率偏移。      

飞行器多学科设计优化软件系统

为解决飞行器总体设计的难点,介绍了可用于飞行器多学科设计优化的软件.该软件利用"松耦合"方式,以SQL Server 2000为数据库管理系统(DBMS),与各学科分析程序相结合.阐述了该系统的功能和软件结构、软件流程、主要模块.为解决关键技术,提出圆环图处理总体与各学科的关系,利用模糊理论进行非数值型变量的转化,提出无量纲化多目标法进行多目标综合处理,构建单一数据库进行数据管理,采用三个数据文件作为程序接口.总结了软件的特点.算例表明软件具有实用性.     

飞行器自适应ESO姿态控制器设计

飞行器无动力再入过程中,姿态受到气动及不确定干扰影响,控制模型具有强耦合、大范围参数摄动等非线性特征。针对再入飞行器姿态控制问题,结合扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）和自适应控制律,基于奇异摄动理论将非线性姿态控制模型分为快慢两回路,分别设计了飞行器内环和外环自适应姿态控制器,并通过 Lyapunov 稳定性理论证明控制器的稳定性。仿真结果表明,控制系统在强干扰及参数大范围摄动的情况下,具有较强的鲁棒性,能够获取良好的动态品质和跟踪性能。     

基于FE-SEA混合法的飞行器结构声振响应分析与试验验证

以美国X-43A飞行器为研究对象,基于有限元与统计能量分析混合法FE-SEA,建立飞行器结构声振耦合动力学模型. 着重研究飞行器噪声致振的性质及规律,得到飞行器空腔结构在宽频外噪声场激励下的结构振动响应及舱内噪声场响应,并对FE-SEA在宽频区间中段的计算结果进行分析. 通过噪声试验验证了理论与数值计算的可靠性.      

基于事件驱动的多飞行器编队协同控制

针对多飞行器系统协同控制问题,研究了基于事件驱动机制的控制设计方法。结合有向通信拓扑和编队位置描述建立了空间多飞行器系统的模型,在飞行器编队中引入事件驱动方法,设计了一般形式的事件触发函数,在非触发时间内利用触发时刻的信息生成了协同控制律,使得飞行器在非持续通信下能够形成三维空间任意给定的队形,并从理论上给出了协同控制问题的稳定性证明。提出的方法不需要飞行器系统的全局信息,飞行器只需要在触发时刻进行通信和控制器的更新,更有利于实际情形中的应用。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于UKF的FADS/INS融合大气数据估计

针对飞行器在高速飞行时受气流干扰、惯性数据易发散等问题,从传感器数据融合角度出发,提出了通过无迹卡尔曼滤波(UKF)融合嵌入式大气数据观测系统(FADS)和惯性导航系统(INS)估计飞行器实时大气数据的算法。算法使用高维度非线性方程对惯性系统和大气系统间的关系建模,结合FADS与INS的数据,计算飞行器速度和高度,进而估算出攻角、侧滑角等参数。实验结果显示,与INS直接解算、扩展卡尔曼滤波(EKF)融合等原有估计方法相比,文章所述的算法在估计精度和系统稳定性方面均有所提高。     

高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

并联式运载器的垂直发射建模与控制

为了有效控制垂直发射时并联式运载器的运动,设计了一个用于垂直发射的姿态控制方法,首先分析了欧拉运动学方程存在的奇异点,在此基础上给出了采用四元数描述的姿态运动学方程,建立了并联式运载器的姿态动力学模型,其次给出了并联式运载器的推力矢量模型,基于数学模型对推力矢量在不同配置方式下的控制效率进行了比较,最后给出了保证四元数收敛的切换函数,应用变结构控制理论设计了对于满足一定条件的不确定性具有完全鲁棒性的姿态控制律.仿真结果表明了该姿态控制方法的有效性.      

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.     

四轮驱动汽车牵引力控制系统控制策略

针对四轮驱动汽车整车动力性和横向稳定性的问题,提出新的目标滑转率计算和修正方法的牵引力控制系统综合控制策略。首先,建立车辆系统各主要部件的数学模型;然后,针对不同工况,利用模糊PID控制技术建立以发动机节气门开度控制、轴间扭矩分配控制和驱动轮制动控制为一体的牵引力控制系统综合控制策略;在车轮目标滑转率的选取方面,提出了最优纵向滑转率查表法,并根据车速以及轮胎侧偏角的大小对目标滑转率进行实时修正;最后,在典型工况下使用MATLAB/Simulink对四轮驱动汽车牵引力控制系统进行离线仿真研究。结果表明：本文所提出的牵引力控制系统控制策略能有效地抑制驱动轮的过度滑转,充分利用路面附着条件,提高汽车纵向驱动稳定性。     

考虑临近车道行人对交通流影响的改进跟驰模型

基于实际人车混合行驶的情形,提出了一个改进的车辆动力学模型。该模型考虑了邻车道或横向的行人、自行车等对主干道车辆的驾驶行为影响。基于经典的最优速度模型,将主干道车辆与行人之间的横向距离和纵向距离作为参数引入最优速度模型中。为了验证所提模型的稳定性和有效性,利用线性稳定性理论,推导出模型的稳定性条件和非稳定性条件,绘制中性稳定性曲线,直观描述了交通流稳定区域大小。理论结果表明:考虑横向行人干扰因素的改进跟驰模型比传统的只考虑单一车道车辆因素的跟驰模型更加的稳定,并且不同参数的变化,所引起的稳态区域也会发生变化。采用了更加真实的优化速度方程,通过仿真实验来描述车辆的驾驶行为;仿真实验列举了2种实际场景:行人稀少和行人较多时。分别绘制了车辆的速度-时间变化曲线以及车辆的时空图,实验结果表明:横向行人的确会干扰车辆的正常驾驶;不同场景下,行人数量的多寡也会对车辆的驾驶行为造成不同程度的影响。      

无人机全包线模糊鲁棒跟踪控制

针对无人机大包线飞行中气动特性大幅变化以及存在参数不确定性和外界干扰等特点,设计全包线模糊鲁棒跟踪控制器.通过模糊c-均值聚类建立逼近全包线动态的模糊T-S（Takagi-Sugeno）模型.基于高度和空速跟踪增广系统,根据保性能控制理论,采用广义系统的模糊Lyapunov函数方法,以线性矩阵不等式形式给出全包线模糊鲁棒跟踪控制器参数的约束条件,保证广义系统稳定.并最小化扰动抑制度来优化控制参数.该控制器既降低了控制保守性,又减小了参数求解的复杂度.仿真表明,无人机在整个飞行包线内能够精确地跟踪空速和高度参考指令,对参数不确定和外界干扰具有强鲁棒性.      

遗传算法在质量矩导弹姿态控制中的应用

研究了三轴稳定控制系统的姿态控制问题.建立了内部带有3个可移动滑块的数学模型.利用RBF(Radial Basis Function)网络的快速自学习以及自适应特性,将其作为控制器不断调整滑块的位置.同时利用遗传算法(GA)的全局、并行寻优及增强式学习能力对神经网络控制器的权系进行优化.通过对滑块位置的协调控制,改变导弹的飞行姿态.最后讨论了滑块运动特性对系统性能产生的影响并对系统稳定性进行了分析.仿真结果表明该控制律能在保证系统稳定的情况下有效地实现导弹的姿态调整,并且提高了系统的动态响应品质.