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。     

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。     

基于速度线性化的变体飞行器鲁棒LPV控制

针对大包线下变体飞行器在翼型快速变化过程中的姿态控制问题,提出了一种基于速度线性化的鲁棒线性变参数(linear parameter varying, LPV)控制方法。所提方法将状态量的微分增广至状态方程,得到系统任意状态下的线性化模型,解除了传统小扰动线性化方法要求系统处于平衡点邻域的限制。建立了具有凸多胞形式的变体飞行器LPV模型,给出了参数依赖鲁棒H∞状态反馈控制器存在的充分条件,依据顶点控制器和变参数进行凸插值得到鲁棒LPV控制器。仿真结果表明,设计的控制器在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能和鲁棒性。     

动态抗饱和平滑切换控制器设计方法

针对一类受饱和约束的切换系统,提出了一种动态抗饱和平滑切换控制器的设计方法。首先,基于模型依赖平均驻留时间的方法设计了平滑切换控制器,能够确保系统全局一致渐进稳定并具有一定的鲁棒性能。同时,通过引入链式切换律降低控制器设计的保守性。在此基础上,给出动态抗饱和补偿器的设计方法。将动态抗饱和补偿器设计问题转化为受线性矩阵不等式组约束的优化问题。以航天器在轨加注过程姿态控制系统为例,建立了该系统的链式平滑切换模型,上述模型能够更加准确地反映系统转动惯量的渐变特性。最后,数值仿真算例表明了所提出的控制器设计方法的有效性。     

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。     

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。     

基于异步切换的飞行器网络控制系统故障检测

针对网络化飞行器故障检测系统在多工作点间切换情况,考虑时延和丢包导致的滤波器切换时刻滞后于飞行器模型切换时刻问题,提出一种基于异步切换系统的故障检测算法。将网络环境下大包线内多工作点飞行器建模为异步切换系统,基于李亚普诺夫函数和平均驻留时间法,给出了具有异步切换形式的故障检测系统全局一致渐近稳定的充分条件,进一步利用线性矩阵不等式（linear matrix inequation, LMI）工具求取滤波器参数。数值仿真验证并分析了所提方法的有效性。     

变体飞行器变形辅助机动的建模与滑模控制

以伸缩翼变体飞行器为对象,研究了机翼伸缩辅助机动飞行的建模与控制问题。建立了飞行器气动参数与翼展变形率的函数关系,将机翼伸缩视为辅助操纵方式,构建了变形辅助机动的动力学模型。针对飞行器模型高度非线性的特点和机翼伸缩等会引起复合干扰的问题,提出了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制(non-singular dynamic terminal sliding mode control,NDTSMC)策略,在保证有限时间收敛的基础上,通过对切换信号的积分作用消除抖振,实现对不确定性的抑制。仿真结果表明,非奇异动态终端滑模控制方法能提高变体飞行器的控制精度和鲁棒性能,更好地消除抖振;变形辅助机动的变体飞行器比常规飞行器具有更强的机动性能和抗干扰能力。     

高超声速飞行器切换多胞系统自适应跟踪控制

针对保证大包线稳定飞行的高超声速飞行器轨迹跟踪控制器设计问题,提出了一种多回路切换多胞自适应跟踪控制方案。基于运动模态在频率上存在显著的时标分离特性,将高超声速飞行器的状态分成内外回路进行设计,考虑到干扰及外回路对内回路的不确定影响,采用增益调度与自适应控制结合的方法设计了内外回路控制器。该方法解决了将该飞行器切换多胞系统作为整体设计时无法综合出保证全局稳定控制器的问题,并且降低了控制器设计的复杂性。仿真结果表明,闭环跟踪系统在工作包线内具有良好的动态响应品质与稳态跟踪性能,从而验证了控制方案的有效性。     

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。     

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.     

基于LPV模型的水面机器人鲁棒航向控制

针对水面机器人水动力学的强非线性,且容易受到风、浪与水流干扰的影响,提出了一种基于LPV(Linear Parameter Varying)模型的H_∞鲁棒航向保持控制器。LPV模型采用Froude数作为线性变参,用来反映水面机器人水动力学随Froude数变化的非线性特性,同时简化模型参数辨识与控制器设计。将Froude数作为调度变量,采用介实引理设计了H_∞鲁棒航向保持控制器,用来抑制扰动对控制器的影响。在三自由度欠驱动水面机器人仿真平台上进行了验证,证明了控制器的有效性与鲁棒性。     

基于未知输入观测器方法的非线性切换系统故障检测

基于非线性未知输入观测器方法对一类离散时间非线性切换系统的故障检测问题进行了研究。给出了两种不同结构的非线性未知输入观测器。针对每一种观测器都考虑了两种切换信号:任意时间切换信号和满足平均驻留时间的切换信号。在任意切换信号下,使用了切换Lyapunov函数的方法来设计非线性未知输入观测器的参数;在满足平均驻留时间切换信号下,使用了多Lyapunov函数方法进行观测器参数的设计。然后利用已知的非线性未知输入观测器,得到残差生成器,进而实现故障检测。通过数值仿真例子,验证了故障检测方法的有效性。     

伸缩翼飞机变形飞行的建模与滑模变增益控制

研究了伸缩翼飞机变形飞行过程的动力学建模与鲁棒控制问题,以分析机翼变形对飞机性能的影响机理,并实现机翼变形时的平稳飞行。首先通过气动仿真分析构建了伸缩翼飞机气动参数与机翼变形的关联函数,进而建立了变形飞行的动力学模型。在此基础上提出了一种新的滑模变增益控制(sliding mode gain scheduled control,SMGSC)策略,更好地保证闭环系统的全局稳定和鲁棒性能。仿真结果表明,机翼伸缩能直接改变飞机的气动特性和运动模态;SMGSC能更好地保持伸缩翼飞机变形飞行时的状态稳定,并消除复合干扰的影响;伸缩翼飞机通过机翼变形可以减少50%的燃油消耗实现同样的飞行任务,具有重要的性能优势。     

不确定切换系统基于切换时间的动态输出反馈鲁棒H∞控制

借助平均驻留时间方法，讨论了一类不确定切换系统的动态输出反馈鲁棒H_∞控制问题。利用多Lyapunov函数法，以线性矩阵不等式的形式给出了使得该类闭环系统的动态输出反馈控制器存在的充分条件。同时,构建了基于切换驻留时间的切换律。在综合考虑最优化干扰抑制性能指标γ和求解的简便性后，给出了动态输出反馈控制器的设计算法。进一步的，将所得结果推广到任意切换律的情况。