基于Backstepping的高超声速飞行器鲁棒自适应控制

针对非线性、多变量、不稳定且包含不确定参数的高超声速飞行器模型,设计了高超声速飞行器的鲁棒自适应Backstepping控制器。采用指令滤波的设计方法,得到内回路的跟踪指令及其一阶微分信号,避免了虚拟控制信号需要进行复杂求导计算的困难。飞行器不确定参数采用自适应律在线调整,通过设计辅助滤波系统,并通过修改自适应律中跟踪误差的定义,消除由于期望控制信号不能完全执行所引起的跟踪误差的影响,保证了参数估计在控制信号约束情况下的顺利进行。仿真结果表明,所提出的设计方法不仅应用简单,且能保证高超声速飞行器在不确定参数存在情况下的闭环稳定及良好的跟踪控制性能。     

高超声速滑翔飞行器动态逆解耦跟踪控制方法研究

针对临近空间高超声速滑翔飞行器再入段俯仰偏航以及滚动三通道运动存在非线性耦合严重的情况,建立了高超声速滑翔飞行器的多变量强耦合非线性时变倾斜转弯控制模型,提出了一种将过载控制转化为所需迎角侧滑角及滚转角误差的三通道联合跟踪控制方法,根据高超声速滑翔飞行器制导回路快速性的动态性能要求,设计了一种基于非线性动态逆及状态反馈的解耦综合控制器,闭环仿真结果表明该方法能够实现三通道运动解耦控制和制导指令跟踪,满足系统动态性能的要求。     

高超声速飞行器的LPV鲁棒变增益控制

针对高超声速飞行器复杂的气动特性和严重参数不确定的纵向非线性模型,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying, LPV)的鲁棒变增益控制方法。首先,采用雅克比线性化方法将非线性系统LPV化,并结合张量积(tensor-product, T-P)模型转换方法进行LPV系统的多胞变换,得到LPV多胞系统;然后,采用H_∞鲁棒控制和增益调度策略设计了鲁棒变增益控制器,保证高超声速飞行器的纵向稳定。该方法不仅避免了复杂的非线性控制器设计过程,而且能够有效地抑制模型参数变化。仿真结果验证了算法的有效性。     

空天飞行器再入姿态模糊切换多模型控制

针对多模型切换控制在切换边界处的不平滑性,提出了一种模糊切换多模型控制。将其输入空间划分为若干个模糊区域以使区域边界模糊化,在各区域内设计局部T-S模型和控制器。根据所选定的变量将相应的区域控制器切换为全局控制器,由于控制器切换是在模糊了的区域边界处进行的,故保证了切换过程中系统状态轨迹的平滑性。利用该控制方案为空天飞行器设计了再入姿态飞行控制系统,高超声速飞行条件下的仿真实验证明了方法的有效性。     

高超飞行器自适应动态规划的控制系统设计

针对高超声速飞行器的控制问题, 提出一种基于自适应动态规划的非线性优化学习控制方法, 设计了速度和高度自适应控制系统。首先, 将控制器分解为稳态控制项和最优反馈控制项, 同时借助反步法, 将原高超声速动力学模型转化为兼顾速度跟踪误差和高度跟踪误差的统一的误差控制模型。其次, 利用自适应动态规划法, 通过自适应调节评价网络的权值, 设计最优反馈学习控制律, 并通过Lyapunov稳定性理论严格证明了跟踪误差的一致最终有界性。最后, 数学仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于干扰观测器的再入飞行器切换多胞控制

针对再入飞行器飞行包线跨度大,系统不确定性及强干扰的特点,提出了一种基于干扰观测器的切换多胞控制方法。将再入飞行器建模为切换多胞系统,并将系统中的不确定项和干扰项等价为复合干扰。提出基于自适应Super-Twisting算法的干扰观测器对系统复合干扰进行估计,并在控制器设计中进行补偿,抑制复合干扰对系统的影响。利用Lyapunov函数方法证明了考虑复合干扰情况下闭环切换多胞系统全包线内的稳定性。数值仿真结果表明,该方法对于系统不确定和干扰具有较强抑制效果,能够实现对指令信号的精确跟踪。     

基于QFT的高超声速飞行器鲁棒控制器设计

针对高超声速飞行器调姿段姿态控制问题,将超燃冲压发动机不同工作状态对高超声速飞行器模型参数的影响看作是不确定对象鲁棒性问题的扩展,应用QFT设计了鲁棒控制器。通过将飞控系统的时域指标转化为频域指标,生成Nichols图上的复合频域边界,利用回路整形设计控制器和前置滤波器,使得闭环系统频率响应满足所有性能指标要求。仿真结果表明,所设计控制器能够满足高超声速飞行器调姿段控制需求,有效抑制输出端干扰,并且当模型参数具有较大范围的不确定性时,具有良好鲁棒性能,有较好的工程应用价值。     

基于H∞鲁棒动态逆的飞行器轨迹跟踪方法

利用非线性动态逆方法的精确线性化功能,结合H_∞控制理论,提出了一种阻力加速度能量标准轨迹的跟踪方法。通过动态逆将非线性的高超声速飞行器系统等效为线性对象,继而考虑非结构不确定性及参数不确定性,采用H_∞控制理论设计外回路鲁棒控制器,实现了标准轨迹的精确跟踪,同时给出了闭环系统的鲁棒稳定性证明。仿真结果验证了该方法的有效性。     

弹性高超声速飞行器动态面制导控制一体化设计方法

面向弹性高超声速飞行器滑翔段制导控制系统设计问题,应用动态面控制理论设计了两种制导控制一体化方法.建立了弹性高超声速飞行器滑翔段纵向运动模型,并推导了具有严格反馈形式的弹性高超声速飞行器制导控制一体化设计模型.将弹性状态视为不确定项,分别基于自适应方法和非线性干扰观测器(nonlinear disturbance ob...     

高超声速飞行器新型攻角约束反演控制

针对考虑攻角约束的高超声速飞行器控制问题,提出一种受限指令滤波器与预设性能方法相结合的反演控制方案.首先,从高超声速飞行器运动模型中划分出高度子系统并基于反演控制方法设计控制器.为了解决攻角约束问题,构造受限指令滤波器对攻角虚拟指令限幅并保证指令的可导性.然后,利用预设性能方法预先设定约束范围,保证攻角跟踪误差始终满足...     

Polytopic LPV modeling and gain-scheduled switching control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle

A novel gain-scheduled switching control method for the longitudinal motion of a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV) is proposed.Firstly,velocity and altitude are selected as scheduling variables,a polytopic linear parameter varying(LPV) model is developed to represent the complex nonlinear longitudinal dynamics of the FAHV.Secondly,based on the obtained polytopic LPV model,the flight envelope is divided into four smaller subregions, and four gain-scheduled controllers are designed for these parameter subregions.Then,by the defined switching characteristic function,these gain-scheduled controllers are switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a given tracking error performance criterion.The condition of gain-scheduled switching controller synthesis is given in terms of linear matrix inequalities(LMIs) which can be easily solved by using standard software packages.Finally,simulation results show the effectiveness of the presented method.     

近空间飞行器直接自适应变论域模糊滑模控制

考虑一类非线性不确定系统的直接自适应变论域模糊滑模控制问题。根据跟踪误差在线调整伸缩因子,使变论域模糊系统一致逼近被控对象中的非线性部分。通过引入鲁棒自适应控制器,消除了模糊建模误差,提高了系统的动态性能。给出了系统自适应参数的调整律,并基于Lyapunov理论证明了闭环系统一致稳定。最后,将该算法用于近空间飞行器(near space vehicle, NSV)姿态控制系统的设计,仿真结果表明了该算法的有效性。     

时变时滞不确定系统模糊自适应H∞控制

针对含非线性和干扰项的时变时滞系统鲁棒稳定问题,提出一种模糊自适应H_∞控制方法。采用T-S模糊系统对未知非线性函数向量进行逼近,设计自适应全调节律,即同时调整模糊参数矩阵和基函数参量。对于逼近产生的误差和外界干扰,引入H_∞控制。基于李亚普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式技术,在保证系统稳定的前提下,通过求解矩阵不等式得到满足设计要求的控制器。通过对已有算例和空天飞行器高超声速飞行控制系统的仿真验证了所提方案的有效性。     

Tracking control for air-breathing hypersonic cruise vehicle based on tangent linearization approach

This paper is focused on developing a tracking controller for a hypersonic cruise vehicle using tangent linearization approach. The design of flight control systems for air-breathing hypersonic vehicles is a highly challenging task due to the unique characteristics of the vehicle dynamics. Motivated by recent results on tangent linearization control, the tracking control problem for the hypersonic cruise vehicle is reduced to that of a feedback stabilizing controller design for a linear time-varying system which can be accomplished by a standard design method of frozen-time control. Through a proper model transformation, it can be proven that the tracking error of the designed closed-loop system decays exponentially. Simulation studies are conducted for trimmed cruise conditions of 110 000 ft and Mach 15 where the responses of the vehicle to step changes in altitude and velocity are evaluated. The effectiveness of the controller is demonstrated by simulation results.     

近空间飞行器鲁棒自适应Backstepping控制

针对变体近空间飞行器(near space vehiele, NSV)大包络、多模态的特性,研究其姿态的鲁棒自适应跟踪控制问题。首先,提出标称变体NSV切换非线性系统的单一且光滑主控制器设计方法,以解决因飞行模态切换引起的主控制舵面跳变。其次,针对切换瞬间复合干扰存在不连续的问题,给出一组同步切换的改进干扰观测器设计方法。将改进干扰观测器的输出与光滑的主控制律相结合组成不确定变体NSV切换非线性系统的复合控制器。采用平均驻留时间分析法证明所提出的控制方法可以保证闭环不确定变体NSV切换非线性系统的稳定性。最后,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

Reference tracking control for flexible air-breathing hypersonic vehicle with actuator delay and uncertainty

This paper considers the problem of reference tracking control for the flexible air-breathing hypersonic flight vehicle with actuator delay and uncertainty.By constructing the Lyapunov functional including the lower and upper bounds of the time-varying delay,the non-fragile controller is designed such that the resulting closed-loop system is asymptotically stable and satisfies a prescribed performance cost index.The simulation results are given to show the effectiveness of the proposed control method,which is validated by excellent output reference altitude and velocity tracking performance.     

无人机三维编队保持的自适应抗扰控制器设计

针对无人机编队飞行过程中领航无人机在三维空间机动飞行时的编队队形保持问题,构建了无人机三维编队保持控制系统。根据无人机编队飞行三维空间几何学关系,利用无人机自动驾驶仪模型和编队运动学模型建立了旋转坐标系下三维编队飞行的数学模型。在考虑闭环系统存在时变外界干扰的情况下,设计了无人机编队保持的自适应控制器,并基于李亚普诺夫理论,对设计的自适应控制律的稳定性进行了证明。最后通过仿真验证,该控制器能够有效抑制干扰带来的影响,使僚机能够迅速跟随长机机动,并保持编队队形的稳定。     

未知扰动下自主水面船自适应有限时间轨迹跟踪

研究了未知干扰下的自主水面船(autonomous surface vehicle, ASV)的轨迹跟踪问题,并提出了基于一种有限时间理论的自适应控制策略。首先,基于反演法将控制系统分为运动学回路和动力学回路两部分;在运动学回路,提出关于跟踪误差的快速终端滑模面(fast terminal sliding surface, FTSS),为实现跟踪误差在有限时间达到FTSS,设计了ASV速度的辅助控制律;在动力学回路,以速度辅助控制律为ASV速度的跟踪目标设计关于速度跟踪误差的FTSS,同时考虑外界干扰,设计了包含鲁棒项的自适应控制律,使得速度跟踪误差在有限时间内收敛于动力学回路FTSS附近的邻域;最后,基于船模的仿真实验证明了所设计控制策略的有效性。