空天飞行器建模分析与自主重构

空天飞行器(ASV)跨临近空间飞行,具有高超声速、大飞行包线、参数时变等特征,必须应对故障、环境变化等高度不确定因素进行自主重构。研究和建立了ASV运动学模型,分析了时域、频域特性以及参数变化和运动特性,研究了纵向静稳定性、舵面操纵特性等与高度、马赫数的关系;提出了自主重构方案,给出了一种控制效益在线估计算法,提出并证明了可估计的充分条件;提出了基于模糊逻辑的线性规划重构算法,根据控制效益的实时估计结果对冗余异类效应器智能地进行控制分配。数值仿真验证了估计算法的稳定性和鲁棒性,说明该方案能够实现飞行器自主适应性重构,可应用于临近空间飞行器自适应控制等领域。     

Delay Depending Decentralized Adaptive Attitude Synchronization Tracking Control of Spacecraft Formation

This paper deals with the problem of cooperative attitude tracking with time-varying communication delays as well as the delays between inter-synchronization control parts and self-tracking control parts in the spacecraft formation flying. First, we present the attitude synchronization tracking control algorithms and analyze the sufficient delay-dependent stability condition with the choice of a Lyapunov function when the angular velocity can be measured. More specifically, a class of linear filters is developed to derive an output feedback control law without having direct information of the angular velocity, which is significant for practical applications with low-cost configurations of spacecraft. Using a well-chosen Lyapunov-Krasovskii function, it is proven that the presented control law can make the spacecraft formation attitude tracking system synchronous and achieve exponential stability, in the face of model uncertainties, as well as non-uniform time-varying delays in communication links and different control parts. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

基于T-S模糊系统的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化控制

 基于T-S模糊系统提出了鲁棒自适应轨迹线性化控制(RATLC)方法。利用T-S模糊系统逼近未知干扰和不确定性因素，并采用Lyapunov方法设计了鲁棒自适应控制律。不论系统状态的维数和用于逼近不确定的模糊系统规则数为多少，整个系统仅有两个参数在线调整。理论分析证明了闭环系统所有信号一致最终有界。应用提出的控制方案设计了空天飞行器(ASV)飞行控制系统，并在高超声速飞行条件下进行了仿真验证，仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性。     

基于径向基神经网络干扰观测器的空天飞行器自适应轨迹线性化控制

 研究了一种自适应轨迹线性化控制策略并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计。通过理论分析指明当前轨迹线性化控制方法(TLC)对系统中的不确定存在鲁棒性不足的问题。为了解决这一问题，首先研究了一种径向基神经网络干扰观测器(RDO)技术，严格证明了RDO对于系统中不确定因素具有良好的逼近能力。然后利用RDO输出得到一种新的基于RDO的自适应TLC控制策略。神经网络自适应律采用Lyapunov方法设计，保证了闭环系统所有信号有界。最后采用新方案实现了ASV飞控系统，仿真结果表明整个闭环系统在鲁棒性能方面得到很大提高。     

双滑模变结构控制在导弹加速度控制中的应用

基于双滑模变结构控制理论,对切换面的选取和控制量的切换规律做了进一步的分析,提出两个切换面可以分开单独设计,通过状态反馈保证在滑模区上的稳定性;在具有非匹配不确定性的情况下,证明了控制量的设计能够满足滑模控制的可达条件;提出了更简单的控制律设计方法,保证状态轨迹分别在两条滑模区上来回切换,降低了控制量振动频率.用动态平衡的方法,通过控制导弹的平衡迎角达到了控制加速度的目的.针对某型导弹纵向回路线性模型和非线性时变模型进行了仿真研究,结果证明了设计的可行性和有效性.     

空天飞行器的鲁棒自适应模糊轨迹线性化控制

提出了鲁棒自适应模糊轨迹线性化控制(RAFTLC)方法并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计.根据系统的先验知识, 设计出标称模糊系统对系统的未知干扰和不确定进行估计, 并通过鲁棒自适应控制项来克服标称模糊系统逼近误差和权值误差的影响.标称模糊系统逼近误差和权值误差的界在线调整.采用Lyapunov方法证明了闭环系统的所有信号一致最终有界.最后利用提出的控制方案设计了ASV飞行控制系统, 并在高超声速条件下进行了仿真验证.仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性.      

某型发动机数控系统的相似参数自适应控制

针对航空发动机在全飞行包线非线性和时变的特点,提出了参数自适应PID控制器设计方法,研究了用最小二乘法和相似参数法两种参数估计器进行在线参数辨识和参数整定的问题。通过与发动机线性模型和部件级非线性模型的仿真,对两种控制算法进行了比较,确定了相似参数法自适应PID控制器具有稳定性好,计算简单,适用于全包线等优点。将相似参数法自适应PID控制器用于某型航空发动机全权限数控系统,通过试车和试飞,验证了该方法的优点。      

H∞ output tracking control for flight control systems with time-varying delay

For flight control systems with time-varying delay, an H∞ output tracking controller is proposed. The controller is designed for the discrete-time state-space model of general aircraft to reduce the effects of uncertainties of the mathematical model, external disturbances, and bounded time-varying delay. It is assumed that the feedback-control loop is closed by the communication network, and the network-based control architecture induces time-delays in the feedback information. Suppose that the time delay has both an upper bound and a lower bound. By using the Lyapu- nov-Krasovskii function and the linear matrix inequality （LMI）, the delay-dependent stability criterion is derived for the time-delay system. Based on the criterion, a state-feedback H∞ output tracking controller for systems with norm-bounded uncertainties and time-varying delay is presented. The control scheme is applied to the high incidence research model （HIRM）, which shows the effectiveness of the proposed approach.     

飞行器控制分配技术研究现状与展望

综述了现代飞行器控制分配技术的研究和应用状况.首先简要回顾了线性控制分配方法,然后着重论述了非线性控制分配技术的最新研究成果,包括截距修正法、分段线性规划法、非线性规划法及包含神经网络计算、遗传算法和模糊逻辑在内的智能控制分配技术,最后讨论了有待于进一步完善和深入研究的若干问题.     

Fully distributed time-varying formation tracking control for multiple quadrotor vehicles via finite-time convergent extended state observer

This paper investigates a time-varying anti-disturbance formation problem for a group of quadrotor aircrafts with time-varying uncertainties and a directed interaction topology. A novel Finite-Time Convergent Extended State Observer (FTCESO) based fully-distributed formation control scheme is proposed to enhance the disturbance rejection and the formation tracking performances for networked quadrotors. By adopting the hierarchical control strategy, the multi-quadrotor system is separated into two subsystems: the outer-loop cooperative subsystem and the inner-loop attitude subsystem. In the outer-loop subsystem, with the estimation of disturbing forces and uncertain dynamics from FTCESOs, an adaptive consensus theory based cooperative controller is exploited to ensure the multiple quadrotors form and maintain a time-varying pattern relying only on the positions of the neighboring aircrafts. In the inner-loop subsystem, the desired attitude generated by the cooperative control law is stably tracked under a FTCESO-based attitude controller in a finite time. Based on a detailed algorithm to specify the cooperative control protocol, the feasibility condition to achieve the time-varying anti-disturbance formation tracking is derived and the rigorous analysis of the whole closed-loop multi-quadrotor system is given. Some numerical examples are conducted to intuitively demonstrate the effectiveness and the improvements of the proposed control framework.     

非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制

在对非合作航天器进行姿态接管控制时,可能面对目标航天器参数未知、构型改变引起的不确定性及目标施加的非合作控制输入等挑战。针对上述问题提出了一种基于预设性能控制理论的非合作航天器姿态接管控制方法。首先,建立了姿态跟踪运动的非奇异拉格朗日型模型;然后,利用跟踪微分器构造不包含角速度信息的广义状态量,设计无需参数辨识的非奇异预设性能控制器,并证明了系统状态变量的有界性和控制系统在预设的性能指标以内。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性及其对时变参数不确定性和非合作控制输入的鲁棒性。     

编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划

 针对编队卫星队形重构的轨迹规划问题,提出了直接配置混合整数线性规划(DCMILP)方法。首先将卫星编队飞行问题进行简化,整个过程使用线性化描述;继而将三阶Simpson方法扩展至编队卫星的队形重构过程中,将各卫星的状态量和控制量在各节点处离散化;然后根据目标函数及碰撞规避问题等各种约束条件,将整个过程转化为混合整数线性规划问题,从而可以找到该非凸问题的全局最优解。最后,通过对三维和二维两组编队卫星队形重构进行仿真,由结果可以看出,与传统方法相比该方法快速有效,能够满足实时性的要求,使得卫星编队的自主运行成为可能。     

BTT导弹的大系统变结构控制方法

将BTT导弹控制系统表示成具有非匹配不确定性大系统的形式，利用反演设计方法处理系统中的非匹配不确定性．用变结构控制方法来改善系统的性能，然后，利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统的信号最终一致有界且系统的状态指数收敛于滑模超平面。最后．仿真验证了所提出方法的正确性和有效性。     

高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

基于VSC的线性控制参数化及在飞行控制中的应用

对一类非线性系统进行平衡工作点参数化,得到调度（ＳＣＨＥＤＵＬＩＮＧ） 参数线性化方程。在此基础上,利用线性ＶＳＣ 理论设计调度参数化的局部线性控制器。为了减少某一状态下控制器对调度参数实际值的影响,在控制器中引入调度变量修整项。将所得结果用于飞行控制系统,设计出飞机纵向通道的调度参数化控制器,数字仿真验证了控制器的控制性能,结果良好。     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

卫星姿态时延反步容错控制

针对卫星在轨飞行过程中存在执行机构故障及带有常值干扰的控制问题,提出了一种将时延控制(TDC)与反步技术相结合的鲁棒容错控制方法。该方法在继承反步控制优点的同时,引入积分环节用于减小常值干扰引起的稳态误差;同时,利用TDC的逼近能力来补偿执行机构的故障,且对设计者而言,故障信息不需要进行在线的检测和分离,而仅需要一步状态迭代。基于Lyapunov方法从理论上证明了系统的稳定性。最后,将该方法应用于卫星的姿态调节控制,仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、参数不确定性和执行机构故障的约束,在完成姿态调节控制的同时,具有良好的过渡过程品质。     

基于算子理论的系统可重构性评价与自主重构

针对航天器在轨资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源）的特点，开展了基于算子理论的航天器姿态控制系统可重构性评价方法和自主重构策略的研究。首先，基于稳定核表示（SKR）和稳定像表示（SIR）的算子理论给出了系统可重构性评价指标，定量地描述了系统的重构能力，突破了基于互质分解理论的系统可重构性评价方法对系统线性性质的局限。同时，基于以上结果，给出了系统可重构性最大边界，为设计人员设计自主重构策略提供了明确的指标；然后，通过在设计阶段考虑系统可重构性，充分挖掘并利用系统重构潜力，为自主重构策略的设计提供理论指导；最后，通过仿真验证了所提方法的有效性和正确性。     

Spiking-free HGO-based DSC for flexible joint manipulator

The tracking control problem for Flexible Joint Manipulator Control System(FJMCS)with unmeasurable states is addressed in this paper. Firstly, a High-Gain Observer(HGO) is constructed to estimate the unmeasurable states and the uncertainties. Then, a Dynamic Surface Control(DSC) scheme is developed by using the estimation of HGO. The newly proposed controller has two advantages over the existing methods:(A) a novel Spike Suppression Function(SSF) is developed to avoid the estimation spike proble...     

基于线性规划的多操纵面重构控制研究

为实现多操纵面飞机的重构控制,提高飞机飞行的安全性能,提出了一种基于线性规划的多操纵面重构控制策略.针对操纵面卡死、松浮、损伤等典型故障情况,推导了相应的重构分配器,通过基于线性规划的直接分配方法来实现在操纵面故障下的重构控制.仿真结果表明,该控制策略能有效处理典型操纵面故障,发生故障时仍能快速跟踪控制指令,保证较好的...