Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system and integral sliding mode backstepping control for the hose whipping phenomenon

Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system（HDARS） and an integral sliding mode backstepping controller design for the hose whipping phenomenon（HWP） during probe-drogue coupling are studied. Firstly, a dynamic model of the variable-length hose-drogue assembly is built for the sake of exploiting suppression methods for the whipping phenomenon.Based on the lumped parameter method, the hose is modeled by a series of variable-length links connected with frictionless joints. A set of iterative equations of the hose＇s three-dimensional motion is derived subject to hose reeling in/out, tanker motion, gravity, and aerodynamic loads accounting for the effects of steady wind, atmospheric turbulence, and tanker wake. Secondly,relying on a permanent magnet synchronous motor and high-precision position sensors, a new active control strategy for the HWP on the basis of the relative position between the tanker and the receiver is proposed. Considering the strict-feedback configuration of the permanent magnet synchronous motor, a rotor position control law based on the backstepping method is designed to insure global stability. An integral of the rotor position error and an exponential sliding mode reaching law of the current errors are applied to enhance control accuracy and robustness. Finally,the simulation results show the effectiveness of the proposed model and control laws.     

Finite-time sliding mode attitude control for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system

This paper proposes a finite-time robust flight controller, targeting for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system(RCS). Firstly, a novel finite-time attitude controller is pointed out with the introduction of a nonsingular finite-time sliding mode manifold. The attitude tracking errors are mathematically proved to converge to zero within finite time which can be estimated. In order to improve the performance, a second-order finite-time sliding mode controller is further developed to effectively alleviate chattering without any deterioration of robustness and accuracy. Moreover, an optimization control allocation algorithm, using linear programming and a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator, is designed to allocate torque commands for all the aerodynamic surface deflections and on–off switching-states of RCS thrusters.Simulations are provided for the reentry vehicle considering uncertain parameters and external disturbances for practical purposes, and the results demonstrate the effectiveness and robustness of the attitude control system.     

高超声速飞行器前体/进气道参数重要性测度

针对机体推进高度一体化的吸气式高超声速飞行器前体/进气道相关参数对其性能指标的独立和交互作用问题,基于回归模型和二阶混合中心矩理论,以总压恢复系数为性能指标,提出了参数重要性测度新方法。设计了二维混压楔形前体/进气道变几何构型方案并给出重要性测度模型,定量和定性地对参数重要性进行了对比和分析。研究结果表明:前体/进气道相关参数间具有强的非线性作用,交互作用非常显著,独立作用可以忽略不计,且重要性测度模型易于扩展。     

一种基于滑模非奇异的反舰导弹导引律的设计与仿真

提出了一种反舰导弹滑模非奇异导引律。根据反舰导弹弹道的运动学分析方法,建立了弹目相对运动的数学模型。在非奇异理论的基础上,推导出具有带落角约束的滑模非奇异导引律。通过仿真,表明了该导引律能同时满足脱靶和落角的性能指标,具有优良的鲁棒性,脱靶量更小,精度更高。相比传统的比例导引律,具有更强的实用性和有效性。     

基于高斯过程的航天器自适应滑模姿态控制

针对存在模型不确定性和外界干扰的刚性航天器,提出了一种基于高斯过程回归(GPR)的新型自适应滑模姿态控制算法。该算法具有自学习能力,在不同的姿态控制任务下都能够实现高精度、强鲁棒和高效率的姿态跟踪。首先,在航天器的四元数标称系统动态模型基础上,应用在线稀疏高斯过程回归(SOGP)方法学习系统的未知动态;其次,结合高斯过程的预测均值设计滑模控制算法,利用高斯过程的预测方差自适应调节控制增益,并应用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性,保证了航天器姿态跟踪误差的渐进收敛性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。结果表明,该自学习控制算法与自适应滑模控制(ASMC)与神经网络自适应控制等算法相比,具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度以及更低的控制成本。     

基于小脑模型关节控制器的无人机集群快速终端滑模容错控制

针对受执行器故障和外界干扰影响的集群无人机（UAV）协同编队控制问题，提出了一种自适应快速非奇异积分滑模（FNISM）容错控制（FTC）方法。为使集群无人机在执行任务时具有良好的协同跟踪性能，通过对无人机实际飞行情况的分析，考虑了无人机编队飞行时的执行器故障和尾涡扰动等对跟踪性能的不利影响。采用小脑模型关节控制器神经网络（CMANN）来估计并消除外部干扰的影响，同时运用CMANN逼近补偿执行器故障。研究表明：所提出的容错控制方案可以保证无人机编队闭环系统在故障情况下的最终一致有界稳定，并且可以通过减小滑模设计参数提高收敛速度，通过增大虚拟和实际控制器参数提高控制精度。4架无人机的集群编队在该方法、基于径向基神经网络（RBFNN）的鲁棒动态面容错控制、比例微分（PD）滑模容错控制3种方法下的对比仿真结果表明该方法在无人机集群编队出现故障时具有更优异的协同控制性能。     

分布式电推进飞机双永磁电动机系统控制策略

为了减小气流等其他因素对分布式电推进飞机中各推进电动机带来的负载扰动导致的转速突变，使得总推力突变或机身左右两侧推力不一致而导致飞机偏航，需要保证各推进电动机具有良好的抗干扰能力和转速同步性。针对此问题，提出了一种针对双永磁电机系统的改进交叉耦合控制策略，采用了改进趋近律的滑模同步控制器。同时设计了一种负载观测器，该观测器以可直接通过位置传感器测得的电机转子位置信号为已知量，避免了微分突变的引入。对所提出的双永磁电机系统控制策略进行了一系列仿真及实验验证，仿真与实验结果发现：在转矩突变时，该控制策略与传统交叉耦合控制策略相比，转速突变减小约50%，同步误差减小约18%，证明了该控制策略与传统交叉耦合控制策略相比具有更高的同步性能和更强的抗干扰能力。     

基于二阶动态Terminal滑模的近空间飞行器控制

针对近空间飞行器飞行速度极高,气动参数变化剧烈,外界扰动大,控制精度要求高 等特点,设计了基于二阶动态Terminal滑模的控制方案。Terminal滑模能在有限时间内收敛 的特性加快了系统跟踪速度;二阶动态滑模的引入,使得滑模面及其部分阶导数为零,并且 得到在时间本质上连续的控制器,有效克服了传统滑模的抖振问题。最后,仿真结果表明了 二阶动态滑模去除抖振的优越性和整体控制方案的有效性。
     

基于比例分配的过驱动碟形飞行器滑模控制

为了避免一些执行机构提前出现饱和,针对具有位置约束的过驱动碟形飞行器,按照执行机构的约束范围,提出了一种比例分配策略.基于该策略,可以使双输入系统简化成单输入系统,并避免有执行机构提前出现饱和.考虑执行机构具有一阶动态特性和系统气动参数的不确定性,设计了滑模控制律.通过比例分配和伪逆分配的比较,得出了一种确定伪逆分配权矩阵的方法.仿真结果表明了该方法的正确性和有效性.     

飞行器滑模变结构姿态控制器参数优化设计

研究了大气层外飞行器姿态控制器设计。基于误差四元数建立飞行器姿态运动学与动力学方程,用滑模变结构控制方法设计控制器,通过构造Lyapunov函数验证了控制器具全局稳定性和鲁棒性。以控制器参数为优化变量,机动时间为优化指标,飞行器发动机输出力矩为约束条件,用粒子群算法实现对滑模控制器参数的优化设计。仿真结果表明：控制器设计可行且有效,并能对参数进行优化。