基于角加速度估计的非线性增量动态逆控制及试飞

针对非线性增量动态逆（INDI）控制方法运用到飞行试验时需要进行状态量导数（角加速度）的实时估计并且存在延迟等问题进行了研究,并给出了工程应用上的实际解决方案。对试飞无人机（UAV）平台进行了动力学建模,利用非线性增量动态逆控制方法和控制器分层设计方法设计了无人机姿态控制系统。采用卡尔曼滤波器设计了角加速度估计器为控制律提供角加速度实时反馈。通过基于模型的控制系统设计方法将控制律实现,并进行实际试飞试验。结果表明：该控制方法工程上可实现,具备良好的鲁棒性和指令跟踪能力。     

基于跟踪微分器的增量动态逆容错控制方法及应用

为提高飞机对干扰的鲁棒性，提出一种基于跟踪微分器的非线性增量动态逆控制方法，并基于此方法设计飞机飞行容错控制律。首先，利用传递函数补偿法同步角速度和舵面偏转信号降低角速度传感器对闭环系统的影响。然后，为克服估计角加速度时差分放大残余噪声的问题，采用跟踪微分器来替代传统差分方法，在保证角加速度准确性的同时降低测量噪声。最后，通过数值仿真验证了所提出的基于跟踪微分器的增量动态逆控制方法的性能。结果表明，该控制方法对机翼损伤故障具有鲁棒性，能够消除传感器动态对系统的影响，并且能够有效降低测量噪声对系统的影响。     

加速度反馈的隐式动态逆鲁棒非线性控制律设计

针对常规显式非线性动态逆(NDI)控制鲁棒性差的问题,综合隐式动态逆和奇异摄动分层设计,引入状态速率（导数）反馈和操纵面的当前位置信号反馈,设计了隐式增量形式的动态逆控制律。控制律中不显含基于标称模型的非线性直接状态反馈,不需要完整的飞机气动力模型,降低了控制律对于模型的敏感度。利用过载测量信号,采用几何的方法,构建了角加速度信号,对于其他状态速率信号,基于飞机动力学方程,以代数计算的方法求解得到。控制律结构简单,当飞机存在外形损伤、舵面失效或传感器失效时,能够迅速实现测量信号的隔离、反馈信号的重建和控制的重新分配和控制律重构。针对某飞机进行控制律设计和数值仿真,结果表明在存在气动力摄动的情况下,控制律具有良好的鲁棒性。     

角加速度计在飞行器/水下航行器制导控制系统中的应用

介绍了角加速度计在飞行器/水下航行器制导控制的三个领域:制导控制一体化设计、抗未知瞬发干扰稳定控制、动力学系数辨识中的应用机理。角加速度计作为一种测量用传感器,能够在飞行器/水下航行器运动过程中直接采集俯仰、航向和滚动三个通道的飞行器/航行器本体的角加速度信息。通过对角加速度信息的获取及处理,分析飞行器/水下航行器质心运动与姿态运动的内在联系,同时将角加速度信息与惯性导航转置所采集的信息相互结合,便可以使得系统的动力学系数辨识和制导控制一体化设计成为可能;同时,由于角加速度信息在相位上超前于角速度反馈,因此引入角加速度信息的反馈可以提升飞行器/水下航行器抗未知瞬发干扰的能力。     

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。     

考虑桨叶陀螺效应的四旋翼定点飞行动态面控制

针对大型四旋翼桨叶陀螺效应对其运动影响较大的问题,设计了一种动态面控制方法。引入了桨叶陀螺效应对四旋翼不利影响的抵消项,保留传统反馈线性化方法中被抵消的非线性项;基于反推设计的动态面控制律较PID控制方法能实现对模型更为精准的控制,克服未建模动态造成的控制扰动;引入一阶低通滤波器简化控制器设计。仿真结果表明,DSC算法到达平衡点后能迅速收敛,闭环系统稳定性好,克服了经典PID控制算法参数较多、提高快速性后会导致高频振荡等缺点。     

基于模糊LADRC的倾转四旋翼无人机纵向姿态控制

针对倾转四旋翼无人机存在控制冗余和模型具有时变性及不确定性的问题,进行了纵向姿态控制系统建模和仿真研究。运用牛顿运动定律和刚体转动定律建立无人机六自由度运动模型,并采用试验测量及数值仿真的方法获取模型参数。采用设计控制分配系数的方法解决控制冗余的问题。设计了基于线性自抗扰控制(LADRC)方法的姿态控制器并采用模糊控制对其参数进行在线整定,提高了控制系统的响应速度和鲁棒性。搭建了Simulink仿真模型,通过无人机纵向飞行控制仿真试验,验证了所设计的控制分配系数的合理性以及姿态控制器的有效性。     

采用混合线性设计的四旋翼块对角姿态控制器

针对现代四旋翼无人机大机动、强非线性以及强耦合的特点,结合其姿态模型符合双层块对角结构,提出将块对角理论运用于姿态控制器的设计。为进一步提升控制器跟踪动态指令的快速性和整体的鲁棒性,在块对角理论的基础上将对动态指令敏感的Lyapunov函数法与具有较好收敛性和鲁棒性的PID控制理论分别应用到两层块对角结构的线性设计部分。仿真结果表明,采用混合线性设计的四旋翼块对角姿态控制器具有良好的动态性能和较强的鲁棒性。     

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。     

无人机机动轨迹跟踪系统设计

对无人机机动飞行轨迹跟踪系统的内环姿态控制律和外环轨迹跟踪控制律两部分分别进行了设计。利用非线性动态逆方法设计了内环姿态控制律。外环轨迹跟踪控制律采用逆动力学前馈加模糊反馈的控制结构,提高系统对飞行条件及期望轨迹剧烈变化时的跟踪精度。仿真结果表明,所设计的系统能够控制无人机精确跟踪指定的机动轨迹,且相对于固定增益系统具有更好的鲁棒性。     

四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真

四旋翼飞行器是典型的欠驱动、非线性、强耦合系统。其姿态控制精度和抗干扰问题一直是研究热点之一。为了实现小型低成本四旋翼飞行器姿态准确控制,详细分析了四旋翼飞行器受力情况,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型,针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中经常会遇到阵风、气流等不确定外界干扰,设计了基于小扰动的PID控制器,并通过对俯仰通道、横滚通道、偏航通道MATLAB/Simulink仿真模型进行仿真测试和结果分析。结果表明:所设计控制算法能够满足四旋翼飞行器姿态控制要求,并具有较好的抗干扰性能。     

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

基于神经网络补偿动态逆的飞翼布局无人机姿态控制方法

将动态逆控制技术应用于飞翼式布局无人机的姿态控制回路,以适应飞翼布局无人机控制系统要求。介绍了动态逆控制器解耦控制原理,以及神经网络补偿结构的作用和设计方法,并基于无人机非线性姿态运动学和动力学模型设计了基于神经网络补偿的动态逆控制器。在强耦合、强非线性的飞翼布局无人机模型上,通过数学仿真验证了系统具有良好的动态性能和稳态特性,控制器具有很强的鲁棒性。     

升降舵辅助操纵的自转旋翼机自适应姿态控制

针对常规自转旋翼机俯仰操纵方式存在的问题,提出了一种升降舵辅助操纵的自转旋翼机布局。采用解析叶素积分方法建立了自转旋翼气动模型,通过与风洞试验数据及数值叶素积分法的对比验证了其合理性。提出了基于神经网络动态逆的自转旋翼机姿态控制方法,采用动态逆技术设计了基本控制器,采用在线神经网络自适应补偿建模误差、外界干扰和设计模型误差导致的不确定逆误差。提出了基于动态控制分配技术的升降舵-旋翼纵向周期变距分配方法,以协调二者在控制效率和带宽方面的差异。仿真结果表明,提出的升降舵辅助操纵方式可以有效地降低旋翼机桨盘的调整频率和幅值;提出的姿态控制方法具有良好的控制性能和鲁棒性;动态控制分配器能够合理地协调升降舵和旋翼纵向周期变距。     

风扰下的四旋翼无人机LADRC控制律设计

针对四旋翼无人机易受侧风干扰、影响控制效果的问题,提出了一种基于线性自抗扰的控制方法。首先分析了四旋翼无人机姿态模型,建立了四种风组合的模拟侧风模型;其次建立了二阶LADRC闭环控制回路,设计反馈控制律实现姿态控制,并分析证明了闭环系统有界稳定。仿真验证结果表明,侧风干扰下,LADRC控制器能对总扰动进行很好的估计和补偿,从而保证了系统的抗干扰性。     

基于动态逆-PID的高超声速飞行器巡航姿态控制

以某型高超声速飞行器为研究对象,针对巡航状态下气动参数不确定的姿态控制问题,提出了一种结合非线性动态逆控制与PID控制的姿态控制方法。首先,对高超声速飞行器非线性模型进行精确反馈线性化,得到了飞行器纵向姿态仿射非线性方程;接着,为速率变化快慢不同的迎角和俯仰角速率分别设计了动态逆控制律以抵消对象的非线性特性;然后,在动态逆控制的基础上,采用工程上易于实现的PID控制补偿由于未精确建模带来的系统逆误差,实现了迎角对指令信号的有效跟踪;最后,进行了数值仿真验证。结果表明,所设计的高超声速飞行器动态逆-PID姿态控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。     

导弹运动方程的逆解析解

针对在采用反馈线性化理论设计导弹飞行控制系统时控制器算法对导弹逆模型的要求 ,推导了导弹运动方程的逆解析解 ,包括导弹质心运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解、姿态运动的运动学方程及其动力学方程的逆解析解 ,详细给出了逆模型的求解过程 ,为一类飞行控制系统运用全局线性化设计奠定了基础。最后 ,结合工程应用进行了仿真计算 ,仿真结果表明逆解析解的推导是正确的     

模型逆控制在非线性IFPC系统中的应用

研究了模型逆控制方法应用于IFPC一体化控制器的设计问题。简要介绍了模型逆非线性控制方法的概念、特点。在此基础上,将模型逆与经典控制相结合,设计了IFPC控制律,并进行了时域仿真与飞行品质分析。结果表明,所设计的控制律无需增益调参即可实现各状态的指令跟踪,并具有较强的鲁棒性能;系统具有典型的一阶/二阶动态特性,满足一级飞行品质要求。     

四旋翼无人机非奇异终端滑模位置控制器设计

针对四旋翼无人机存在模型不确定性、在野外飞行时易受外界环境干扰问题,首先采用牛顿-欧拉法进行系统建模;然后按照内外环控制结构,外环位置控制器输出姿态指令作为内环姿态控制器的输入,内环采用串级PID控制器,重点针对外环设计了一种非奇异终端滑模控制器,并基于Lyapunov理论证明了位置子系统的稳定性,得出系统误差能够在有限时间收敛到0的结论;最后,通过定点控制和轨迹跟踪仿真,表明控制器具有较快的响应速度和良好的抗干扰性能,能够快速精确地进行轨迹跟踪。     

基于LADRC的四旋翼无人机自适应姿态跟踪控制

针对四旋翼无人机受到外界干扰会导致系统参数的改变,从而影响控制性能的问题,提出了一种基于LADRC自适应姿态控制方法。首先,根据四旋翼无人机的姿态模型,建立了基于LADRC的四旋翼无人机姿态解耦控制结构;然后,引入干扰观测器估计补偿系统总扰动,实时在线辨识转动惯量值;考虑到控制量饱和的问题,设计模糊推理规则以提高控制性能。仿真结果表明,加入了自适应环节的LADRC控制器能够实现对干扰的准确估计,尤其在小角度飞行时表现出了较强的跟踪精度及响应速度。