基于角加速度反馈的自抗扰过载控制系统设计

随着高动态飞行器速度和机动性的不断提高,控制系统面临着高非线性、强耦合、快时变、不确定等难题。为提升高动态飞行器过载控制系统的控制精度和稳定性,提出了基于角加速度反馈的自动驾驶仪设计方案,并设计了自抗扰控制系统及其稳定性分析方法。首先,设计了基于角速度和角加速度反馈的PI两回路控制系统方案。然后,基于角加速度反馈设计了自抗扰过载控制方法,并对系统稳定性进行了频域分析。最后,开展了仿真实验研究,结果表明：对于传统的PI过载控制,采用角加速度反馈控制系统的性能明显优于角速度反馈;基于角加速度反馈的自抗扰过载控制系统相比于传统的PI过载控制系统具有更优良的控制效果,显著提升了系统的稳定性和鲁棒性。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

四旋翼式飞行潜航器非线性增量动态逆控制

针对四旋翼式飞行潜航器水下运动姿态控制问题,设计了一种带二阶低通滤波器的非线性增量动态逆控制器。建立了四旋翼式飞行潜航器水下运动数学模型,推导了增量形式的姿态控制律,以反馈的角加速度信号作为虚拟输入,得到了推力增量与角加速度的关系式,设计了姿态控制器,并进行了鲁棒性分析。通过在控制端和反馈的状态导数端引入二阶低通滤波器,保证了系统的时间同步性。仿真结果表明,在外界扰动和不确定性作用下,所设计的增量动态逆控制方法能够快速准确跟踪参考信号。     

考虑输入饱和的制导控制一体化设计

高超声速飞行器俯冲时具有快时变特性,执行机构限于物理约束极易导致控制输入达到饱和,针对该问题提出考虑输入饱和约束的制导与控制一体化设计方法。首先,建立纵向制导与控制一体化设计模型,采用干扰观测器对系统不确定性进行估计补偿,然后结合加幂积分方法与嵌套饱和方法设计了新的制导控制一体化非线性控制律。通过严格的理论分析证明了带有饱和约束的控制器可令系统状态全局有限时间稳定,由于控制律中的虚拟控制量均考虑了饱和约束,做到了全局协调抗饱和,从而可更充分地利用飞行器控制能力去实现精准控制。数值仿真实例验证了提出方法的有效性及鲁棒性。     

基于反演设计的无人水下航行器自适应二阶滑模控制

针对存在参数不确定性和结构不确定性的无人水下航行器,利用反演设计方法设计了无人水下航行器的控制器,并利用自适应控制方法在线估计参数变化率。同时,结合滑模控制克服系统中的未建模动态特性;比较了传统滑模控制与二阶滑模控制的区别,充分体现二阶滑模控制对传统滑模控制中颤振的削弱作用;仿真验证了设将反演设计与自适应控制、滑模变结构控制相结合,.x性的系统,且非线性参数不确定,在这种情况下需要.x 计方法的有效性和正确性。     

基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制

针对四旋翼飞行器的强耦合性、非线性、易受外界干扰等控制难点,研究利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行姿态控制的技术问题。通过牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器动力学模型,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰",利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性反馈抑制补偿残差,进行四旋翼飞行器姿态控制仿真实验。结果表明:在存在模型参数摄动和外界扰动的情况下,扩张状态观测器很好地实时估计和补偿了四旋翼飞行器的总和干扰,基于自抗扰的四旋翼飞行器姿态控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性。     

基于ESO的再入飞行器姿态控制

针对飞行器再入姿态控制系统受到较大干扰力矩时,采用目前工程上常用的 “前馈＋PID”控制方法难以获得理想控制精度的问题,提出了采用自抗扰控制技术进行再入姿态控制的方法。首先利用扩张状态观测器对前馈项没有完全补偿的剩余飞行器角加速度进行估计并加以补偿,使得作用在飞行器上的力矩接近于平衡状态,并采用PD控制器进行误差反馈控制,给出了飞行器再入姿态自抗扰控制律,并在频率域分析的基础上给出了控制参数设计原则。仿真结果表明采用本方法能够有效地克服干扰力矩,从而明显地提高再入飞行器姿态动态跟踪精度。     

垂直起降重复使用运载器返回制导与控制

针对垂直起降可重复使用运载器返回全程非线性、高动态、强扰动、多约束条件下的精确着陆问题,开展适应各飞行段任务特性和需求的返回全程制导控制方法研究。首先分析返回全剖面各飞行段的特点及对制导控制的需求,建立了动力学模型;然后基于经典制导控制方法给出可行的返回全程制导控制方案,并针对其不足分别设计修航段基于剩余时间估计和几何关系目标点自适应更新的双层迭代制导、返回末段多约束自适应制导和返回全程自抗扰控制器,构建了自适应强抗扰新型返回全程制导控制方案;最后进行了数学仿真,通过对比分析经典制导控制方案和新型制导控制方案在小偏差/扰动和大偏差/扰动两种条件下的飞行状态,验证了新型制导控制方案下更高的着陆精度、更强的适应性和抗扰性。     

有向拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导律设计

研究了在有向拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导律的设计问题。首先，根据飞行器与目标之间追击过程的几何关系建立制导过程系统模型，针对该模型的非线性问题采用动态反馈线性化方法进行处理。将目标未知机动视为干扰，通过扩张状态观测器进行观测，同时将该估计值用于制导律的设计中，通过直接补偿的方式剔除目标机动对飞行器剩余飞行时间的影响。然后，将所设计的制导律代入到制导模型中，利用一致性分析方法将多飞行器协同制导问题转化为一致性问题，利用极点分析的方法对非一致性子空间的收敛性进行分析，得到协同制导律收敛的充要条件。最后，通过仿真分析的方式对所设计的协同制导律以及制导律的参数选取方法进行分析。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

高超声速飞行器非线性控制研究

针对高超声速飞行器非线性控制研究问题,介绍了在控制器设计中的特点及难点;阐述了在现有文献中关 于高超声速飞行器非线性控制相关研究工作,并分别从变结构控制方法、鲁棒自适应控制方法、结合智能控制方法 以及观测器在控制器设计中的应用等方面进行了分析;最后,结合高超声速飞行器自身特点,指出了高超声速飞行 器非线性控制领域的研究热点和发展趋势。     

先进无人机飞行控制技术研究

在“系统中的系统”的概念下,研究了先进无人员飞控系统的关键问题。对层阶,开放的无人机控制结构,多模型自适应控制技术等进行了较详细的论述和分析,最后对该领域的发展趋势进行了总结。研究结果对当前正在研制的多种无人机具有一定的参考价值。     

旋转式水下运载器模糊控制

提出了一种完全新型的旋转式水下运载器的系统结构，简要介绍了系统的工作原理，设计了模糊控制器。通过计算机仿真，说明该水下运载器的系统结构是可行的。     

无人机飞行控制技术初探

简要回顾了无人机飞行控制系统经典设计方法,然后着重论述了无人机飞行控制技术的最新研究成果,包括非线性动态逆控制、自适应反推控制等现代控制技术及包含神经网络PID控制、神经网络自适应控制在内的智能控制技术,最后对其作了总结。     

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。     

碟形飞行器复合控制系统的控制分配策略研究

碟形飞行器复合控制系统是一个高度非线性的多输入系统,通过对碟形飞行器所受合外力和力矩的分析并根据纵向运动假设得到碟形飞行器纵向运动简化方程,进行小偏差线性化得到纵向通道变质量矩/推力矢量复合控制线性化方程。针对两类执行机构如何协调控制这一难题,文章采用控制分配思想在结构上对碟形飞行器复合控制系统进行了优化,并分别采用了广义逆控制分配方法和基于二次规划的直接最优分配方法进行了仿真研究,结果表明控制分配方法能有效地协调两类执行机构的控制,并具有较强的鲁棒性。     

可重复使用航天器再入段复合控制方法研究

可重复使用航天器再入过程初期,反作用力控制系统是其姿态控制的主要手段,结合气动舵面可以减小飞行器对该系统的总冲需求,提高飞行器动态响应特性。给出了反作用力控制系统与气动舵面复合姿态控制系统的组成及三种复合控制指令分配策略,并进行了仿真计算,分析了三种策略的姿态控制效果及总冲需求。仿真结果表明,三种方法均能完成飞行器姿态控制,并各有其优缺点,研究结果为航天器飞行控制系统控制律设计提供了有效参考。     

无人驾驶高空侦察机爬升控制方案分析

介绍了无人驾驶高空侦察机（ＵＡＶ）的爬升轨迹控制方案原理，对纵向控制回路进行了详细分析，按简单拉力法进行了飞行性能计算，同时还分析了爬升方案曲线与优化性能轨迹的关系，并对爬升轨迹计算和试飞遥测数据进行了比较。经分析计算与试飞结果表明，对于爬升较缓慢的飞机，本控制方案可实现沿优化性能轨迹上升，并自动转入有利速度巡航。     

再入机动飞行器的控制系统设计

基于再人机动飞行器机动控制特点，设计了两种反馈结构——过载反馈和姿态角反馈的姿控系统．并从输入反馈信号构成、系统回路设计、反馈系数确定及飞行弹道仿真结果等方面，对两种形式的姿控系统进行了比较。结果表明．过载反馈系统在再人机动飞行器的飞行控制中效果较好。     

可重复使用航天器反作用力控制系统控制方法

可重复使用航天器(RLV)再入过程初期,反作用力控制系统(RCS)是其姿态控制的主要手段,优化RCS控制方法可以降低RCS总冲需求并提高系统动态响应,以提高航天器的任务载荷和任务可靠性。以某跨大气层飞行器RCS为研究对象,给出了RCS模型和3种RCS控制方法,并进行仿真计算分析3种方法在完成特定飞行任务时的姿态控制效果及总冲需求。仿真结果表明:3种方法均能完成飞行器姿态控制,并各有其优缺点。本文的研究将为RLV飞行控制系统控制率设计提供有效参考。