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。     

变体飞行器有限时间收敛LPV鲁棒控制

以一类翼展可变的飞行器模型为对象,研究了一种针对参数不确定的线性变参数(linear parameter varying, LPV)系统的滑模变结构鲁棒控制问题。首先,通过Jacobian线性化和模型张量积转化将变体过程中的非线性模型最终简化为多胞体LPV系统。然后将鲁棒滑模控制技术拓展到此LPV模型中,给出了以线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)为形式的降阶滑动模态的存在性及鲁棒稳定性定理,以此为基础所设计的参数依赖的趋近律控制器能够使具有不匹配不确定性的LPV系统在有限时间内收敛至滑模切换面。仿真结果表明,上述滑模控制器在模型存在不确定性的情况下能够保证变体过程的全局稳定性。     

基于SDRE的变体飞行器LPV稳定控制

针对变体飞行器飞行过程中存在的外部扰动和参数不确定性问题，提出一种基于状态相关黎卡提方程(state-dependent Riccati equation, SDRE)的线性变参数(linear parameter varying, LPV)稳定飞行控制方法。首先，基于变体飞行器的气动参数模型和纵向非线性动力学模型，综合考虑外部扰动、系统参数误差以及变形产生的附加干扰，并通过雅克比线性化方法，得到LPV系统模型。其次，针对考虑复合干扰的LPV模型，设计基于SDRE的控制律，并利用θ-D方法进行求解。最后，利用蒙特卡罗方法仿真验证了所提方法能够有效抑制复合干扰，实现飞行器的稳定飞行控制，具有较强的鲁棒性能和抗干扰能力。     

变体飞行器连续平滑切换LPV控制

针对一类翼展可变飞行器的控制问题,提出了一种连续平滑切换线性变参数(linear parameter varying, LPV)控制器的设计方法。将变体飞行器建模成以翼展变形率为时变参数的LPV系统,通过对时变参数进行具有重叠特性的区间划分,设计平滑切换控制器。结合参数依赖的多李雅普诺夫函数和平均驻留时间方法,给出了保证切换LPV系统指数稳定的充分条件。由于考虑了时变参数的渐变特性,使得系统的切换律没有平均驻留时间的限制,降低了结论的保守性。仿真结果表明,运用所设计的控制器,当翼展连续变化时,变体飞行器状态稳定且切换过程平滑,控制性能良好。     

船舶航向与柴油主机联合LPV鲁棒控制及仿真

船舶航向与柴油机推进装置是紧密耦合的,但长期以来对它们的控制是完全独立的.根据线性变参数(LPV)系统设计原理,提出了基于LPV的船舶航向与主机联合控制.建立了以船速等为变参数的船舶航向与主机联合控制的LPV模型,采用LPV多胞设计方法,通过状态反馈对闭环极点进行配置,分别设计具有H∞鲁棒性能的航向与主机LPV控制器,实现二者的联合控制.以5446箱班轮为被控制对象,仿真验证了航向与主机LPV控制器在风浪干扰下联合控制的有效性.     

输入受限高超声速飞行器鲁棒变增益控制

针对一个输入受限吸气式高超声速飞行器模型,研究了其鲁棒变增益控制问题。为处理飞行器模型中的建模误差和饱和非线性,将标准的线性变参数（linear parameter-varying, LPV）控制问题扩展到对时变参数、动态不确定性和饱和非线性具有结构摄动的鲁棒性框架内。基于对模型不确定性和饱和非线性的积分二次型约束刻画,以定标线性矩阵不等式（linear matrix inequality, LMI）形式给出其鲁棒变增益控制算法。为进行变增益控制系统设计,建立了飞行器的LPV模型。基于多时间尺度特性,提出了一种由姿态回路和轨迹回路组成的内外环控制结构。内环实现对姿态的严格控制和克服执行机构饱和,外环实现对轨迹的精确跟踪。控制器增益随动压和马赫数调度,实现大跨度机动飞行控制。非线性仿真结果证实了算法和应用的有效性。     

高速再入飞行器的鲁棒自动驾驶仪设计

针对高速再入飞行器的自动驾驶仪设计问题,基于鲁棒参数化方法,采用特征结构配置和模型参考跟踪理论设计BTT飞行器姿态控制系统的鲁棒控制器,完成对于制导信号的快速跟踪。本设计的鲁棒镇定器是一个不随滚动角速度变化也无需切换的定常反馈镇定律,结构简单,便于工程实现。通过分析高速再入飞行器的特点,给出了简单可行的控制方案。将所设计的控制器应用于飞行器非线性模型进行了六自由度仿真试验。仿真时考虑了系统执行机构的时滞和饱和特性。仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。     

基于干扰估计的高超声速飞行器鲁棒控制方法

针对高超声速飞行器高度与速度跟踪所面临的参数不确定与外界干扰问题,提出基于干扰估计的鲁棒控制律设计方法。首先建立含参数不确定与外界干扰的高超声速飞行器模型;而后基于动态逆思想,将动力学模型进行线性化,并将由参数不确定与外界干扰对系统造成的总效果看作系统总干扰,从而引入线性扩张状态观测器实现对系统状态及总干扰的估计;最后考虑总干扰作用,提出具有鲁棒性能的动态逆控制律与滑模控制律。通过与传统控制律进行对比仿真,结果表明所设计的两种鲁棒控制器只需在原有方法基础上进行简单改进,即可较大程度提高对系统参数不确定与外界干扰的鲁棒性,具有良好的跟踪性能。     

参数不确定性系统的鲁棒控制器数字化再设计研究

针对一类参数不确定性系统离散控制器设计问题,给出其近似离散化模型的推导过程,将采样周期作为系统参数,保证扰动和参数变化下系统模型的相容性性质。利用数字化再设计方法,把离散控制器和连续控制器的全局状态匹配转换为凸优化问题,与控制器鲁棒稳定性条件统一到线性矩阵不等式框架下进行数值求解。仿真实例验证了所提方法的有效性,表明所设计的鲁棒控制器性能优于采用常规离散化方法所设计的控制器。     

鲁棒增益调度结构化火箭弹控制系统设计

发动机推力是影响火箭弹模型时变特性的重要因素。首先,基于122 mm火箭弹推导了俯仰、偏航动力学线性化模型,并以线性分式变换来描述。然后,基于鲁棒增益调度设计了结构化的控制器。这种控制器具有矩阵形式的比例-积分结构,在续航段将速度和时间作为调度变量,在无动力飞行段将速度作为调度变量,按照线性控制综合方法整定各特征点的控制器参数,并用结构奇异值验证闭环系统的局部稳定性。最后,对设计的控制器做了仿真分析,结果表明,该控制器对火箭弹模型因推力、飞行状态变化等引起参数摄动的情况具有鲁棒稳定性。     

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.     

无人直升机局部H∞最优LPV 速度控制器设计

针对无人直升机的大范围鲁棒控制问题, 提出局部H_∞最优线性变参数(liner parameter varying, LPV)速度(local H_∞optimal LPV velocity, LHOV)控制方法。首先将无人直升机系统简化成含有干扰的LPV 系统，接着针对各个固定飞行模式独立设计H_∞静态输出反馈（H_∞static output feedback, HSOF）控制器，然后采用插补控制技术，针对每一种飞行模式下的线性系统设计一个只含有不可控部分和不可观部分的插补控制器，进而将所有模式下的控制器融合成一个LHOV控制器，从而既保证模式之间鲁棒转换，又使得系统进入任意一个模式后能达到H_∞性能最优。最后，仿真结果表明，采用此方法设计的控制器能够获得大范围良好的稳定性和鲁棒性。     

Missile robust gain scheduling autopilot design using full block multipliers

Reduction of conservatism is one of the key and difficult problems in missile robust gain scheduling autopilot design based on multipliers. This article presents a scheme of adopting linear parameter-varying (LPV) control approach with full block multipliers to design a missile robust gain scheduling autopilot in order to eliminate conservatism. A model matching design structure with a high demand on matching precision is constructed based on the missile linear fractional transformation (LFT) model. By applying full block S-procedure and elimination lemma, a convex feasibility problem with an infinite number of constraints is formulated to satisfy robust quadratic performance specifications. Then a grid method is adopted to transform the infinite-dimensional convex feasibility problem into a solvable finite-dimensional convex feasibility problem, based on which a gain scheduling controller with linear fractional dependence on the flight Mach number and altitude is derived. Static and dynamic simulation results show the effectiveness and feasibility of the proposed scheme.     

超机动飞行自抗扰控制律设计与仿真

提出了一种利用自抗扰控制器算法设计超机动飞行控制系统的新方法。根据自抗扰控制器可以动态补偿系统模型扰动和外扰的特点,在超机动飞行快回路和慢回路中引入自抗扰控制器,实现了快变量和慢变量的动态解耦控制。直接针对飞机超机动飞行条件下的强耦合、强非线性模型进行控制律设计,符合超机动飞行控制的非线性、模型摄动大、模型不精确等特点,在很大的包线范围内不需要改变控制器的结构和参数,简化了设计过程。大包线范围内的大迎角机动仿真结果表明,系统具有良好的动态和稳态性能,控制器具有很强的鲁棒性,为解决超机动飞行控制问题提供了一种新的途径。     

基于LPV的超空泡航行体H∞抗饱和控制

针对超空泡航行体在运动过程中面临的执行器饱和问题,提出一种基于线性变参数(linear parameter varing ,LPV)的抗饱和控制方法。首先在航行体动力学模型基础上考虑执行器饱和非线性因素,将滑行力和执行器分别建模为时变参数的仿射函数,最终得到系统矩阵仿射依赖于时变参数的LPV模型,同时,该模型也考虑了噪声干扰条件下控制器的鲁棒性。基于该LPV模型,运用多面体理论和Lyapunov方法设计了不依赖于时变参数的静态状态反馈控制器。仿真结果表明,所设计的控制器可以保证航行体在执行器发生饱和时仍能渐近跟踪给定深度指令,且在零初始条件下具有对噪声的H∞抑制性能。     

基于鲁棒故障诊断LPV模型的舰载QUAV跟踪控制

设计适用于外部干扰抑制的无人机鲁棒故障检测与跟踪控制系统。首先,将舰载四旋翼直升机(quad-roto unmanned aerial vehicle, QUAV)建模为线性变参数系统(linear variable parameter system, LPVs),作为目标来进行系统设计。同时,为了进行故障检测和隔离,设计了一个强大的LPVs观测器,利用一组可行线性矩阵不等式(linear matrix inequalities, LMI)给出保证系统渐近稳定和抗干扰鲁棒性的充分条件。此外,基于LMI区域的极点配置考虑观测器的增益设计。然后,通过观测器库考虑故障检测和隔离方案,检测和隔离传感器故障。其次,通过考虑比较器集成控制方案对反馈控制器进行设计。目标是设计鲁棒控制器,使QUAV无偏差跟踪设定位置。最后,通过在模拟模型中,对算法的有效性进行实验验证。