基于反馈线性化的永磁混悬系统的观测与控制

为观测永磁混悬系统的状态并进行控制,首先建立以间隙、速度和磁密为状态变量的非线性模型,然后采用反馈线性化将其变换为线性模型,再应用线性理论设计降维观测器和控制器,最后得到原非线性模型的状态现测值和控制器并进行仿真.仿真结果表明:混悬系统经反馈线性化后,基于观测器进行状态反馈,能够具有很好的动态性能,系统输出能快速地跟踪给定输入.     

基于状态扩展的双反馈模型预测控制技术研究

针对模型预测控制在线滚动的实施要求,提出了基于状态扩展的双反馈预测控制策略,旨在不改变系统信息描述的前提下,提高其在线计算能力。在模型预测控制滚动时域特征分析及其数学模型演化讨论基础上,根据系统变量及其差值与系统方程的关联关系进行状态变量的扩展与转换,使变量转换后的系统在预测控制模式下表现为状态与输出双反馈的结构形式,从而通过输出反馈的引入,在系统控制信息无任何约束及处理的基础上有效缩减控制域,降低系统在线计算量。光伏系统最大功率点跟踪(MPPT)控制仿真示例验证了设计的可行性与有效性。     

地形跟随中航迹跟踪模型预测控制方案设计

针对地形跟随飞行中的航迹跟踪问题,设计了航迹跟踪模型预测控制器,并讨论了模型预测控制中时域参数切换的自适应方案设计。首先,结合被控对象的特点,设计了用于实现全局稳定跟踪参考航迹的模型预测航迹控制器,并对控制器展开了稳定性分析。然后,充分发挥模型预测控制的预测能力,进行了航迹跟踪方法和综合误差评价策略设计。同时,通过分析不同航迹段的跟踪需求,设计了自适应调整模型预测控制中时域参数的优化方案。仿真验证结果表明,自适应方案相比固定时域方案航迹跟踪精度更高、飞行颠簸小、稳定性好,预设的评价指标函数能有效评估跟踪性能。     

可重复使用运载器再入弹道仿真

针对RLV再入特点,应用反馈线性化与模型预测控制相结合,设计了基于控制角与控制力矩间全反馈(非时标分离)条件下的反馈线性化控制器,实现了以控制增量做为优化变量、考虑模型状态和输入约束的模型预测控制器设计,解决了RLV再入模型的多变量耦合、参数不确定等非线性控制问题的平滑控制.最后在Simulink环境下建立了RLV再入仿真模型,应用RtFly快速原型系统完成了再入模型六自由度弹道实时仿真,仿真结果验证了该控制器能够较好跟踪制导参数,满足控制器设计指标和系统实时性要求.     

基于虚拟长机的无人机侦察编队控制方法

针对使用多无人机编队对周边区域实施协同侦察任务的协同控制问题,提出了以虚拟长机为编队航迹引导的分布式编队控制方法。该方法基于编队通信拓扑的分布性,以“相邻”无人机为参考估计长机状态,然后设计无人机编队的分布式线性化反馈控制器。仿真实验表明,在无人机编队沿阿基米德螺旋线实施侦察的过程中,该控制器能够使多无人机形成期望队形,并维持其稳定,同时减小编队队形误差,实现对侦察航迹的高精度跟踪。     

非平面全驱动多旋翼无人机的鲁棒预测控制

针对非平面全驱动多旋翼无人机飞行时易受外部风场与未建模动态影响等问题,设计了鲁棒性较好的预测控制系统。采用牛顿-欧拉法构建了无人机六自由度非线性运动模型;设计了线性扩张状态观测器,将同时受匹配与非匹配干扰影响的无人机系统转化为仅受匹配干扰影响的等效系统,用以估计系统的状态变量;针对等效系统设计预测控制器以降低系统输出振荡和输入激增,设计干扰补偿器以提升闭环系统抗干扰的鲁棒性。仿真实验表明：与常规的非线性动态逆控制方法相比,该算法下的闭环系统具有更强的抗干扰能力与更高的轨迹跟踪精度。     

基于干扰观测的欠驱动无人艇自适应航迹跟踪控制算法

研究了欠驱动无人艇在外界干扰条件下的航迹跟踪控制问题,提出了一种基于干扰估计与补偿的航迹跟踪控制算法,实现了风浪流干扰环境下航迹的精确跟踪。算法引入纵向误差作为状态变量对扩张干扰观测器进行设计,实时估计干扰的稳态分量,相比于传统的基于输出反馈干扰估计算法,其灵活性、可控性更高;同时基于纵向跟踪误差的状态估计误差,设计扩张干扰观测器变增益因子,相比于基于常增益观测器的航迹跟踪算法其能够在实现干扰补偿的前提下,有效减小航迹跟踪收敛段的震荡。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了级联控制系统与干扰观测系统在平衡点的半全局指数稳定性,通过仿真对比实验及分析证明了所提航迹跟踪算法的有效性和先进性。     

串置翼垂直起降无人机过渡机动飞行控制

针对新型串置翼布局推力矢量无人机在垂直起降、过渡机动飞行过程中强非线性、强耦合及控制冗余的问题,采用动态逆控制方法设计全局控制系统,无需针对不同飞行模式切换控制策略。在此基础上,提出二级递进式控制分配策略,将序列二次规划、链式递增方法相结合,对航迹回路和姿态回路的控制量进行综合优化分配。同时,根据任务需求及飞行状态,基于离线数据库在线实时更新直接力控制分配目标函数权值。采用松弛约束策略,局部放宽非线性优化问题约束,增加优化求解速度。仿真结果表明该控制器能够有效跟踪高机动目标航迹。     

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。     

高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计

针对高超声速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器(extended state observer, ESO)及非线性状态误差反馈律(nonlinear law state error feedback, NLSEF),分别设计了高超声速飞行器内环和外环自抗扰姿态控制器。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NLSEF抑制补偿残差。自抗扰控制器(active disturbance rejection control, ADRC)设计无需精确的飞行器被控模型,也无需精确的气动参数及摄动界限。仿真结果表明,控制系统能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性。     

基于扩张观测器的输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制

针对速度不可测和输入受限的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和外界干扰未知的情况,提出一种输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制方法。该方法首先设计非线性扩张状态观测器估计飞行器系统的速度和广义扰动,然后结合反演法和动态面技术设计动态面轨迹跟踪控制律,以降低控制算法的复杂性,同时引入双曲正切函数解决控制输入饱和问题,并构造辅助方程降低饱和效应,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界。以大疆M100飞行器为目标进行控制仿真,结果表明,所设计的输出反馈控制器能够有效地处理飞行器系统控制输入受限、速度不可测和未知干扰问题,实现飞行器精确轨迹跟踪控制。     

基于自适应动态逆的着舰控制器设计

针对舰载无人机着舰过程中存在参数不确定、舰尾流干扰等问题, 设计了一种基于自适应动态逆的着舰控制律。通过动态逆消除了非线性以及多变量耦合, 在此基础上加入自适应律, 分别设计了俯仰姿态控制器和速度控制器, 并应用Lyapunov稳定性原理修正了自适应律并用来处理动力受限时的速度控制问题, 保证动力补偿系统的稳定性。仿真验证结果表明,该控制方法具有较好的动态性能与鲁棒性, 能够在复杂环境下以较高精度跟踪期望值, 符合无人机着舰指标要求。     

基于鲁棒模型预测的智能汽车轨迹跟踪控制研究

针对传统的基于跟踪误差模型轨迹跟踪控制器在复杂行驶环境下控制精度不高,鲁棒性差等问题,设计一种鲁棒模型预测轨迹跟踪控制策略。采用车辆凸多胞体动力学模型显式描述车辆动态特性,结合轨迹跟踪多目标约束设计鲁棒性目标函数,通过线性矩阵不等式优化方式求解状态反馈控制律;引入前馈控制消除稳态误差,提高跟踪精度。结果表明：在不同行驶工况下,该控制器在保证车辆跟踪精度基础上可有效提高行驶稳定性,具有较强的鲁棒性。     

基于ESO的欠驱动四旋翼飞行器轨迹鲁棒控制

针对欠驱动四旋翼无人飞行器的系统特性,为解决传统四旋翼飞行控制方法中存在的弱点,如系统状态变量间相互有较大耦合、控制效果易受建模误差的影响及抵御外界干扰能力较弱等弱点,设计一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的轨迹跟踪算法,由ESO实现对系统复合干扰的估计,并在控制律中对复合干扰进行实时补偿。由于ESO只需要测量系统输出即可实现对复合干扰的精确估计,因此在实际系统中易于实现,为验证所提算法,进行两种不同情况下的仿真研究,分别为矩形轨迹跟踪和圆形轨迹跟踪,仿真结果验证了所提算法的可行性。     

海流扰动下无人水下航行器的动态面反演轨迹跟踪控制

针对存在未知海流扰动条件下无人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)的轨迹跟踪控制问题, 提出一种欠驱动UUV的动态面反演轨迹跟踪控制方法。首先, 设计一种改进型海流扰动观测器来估测航行器动力学模型中存在的未知海流扰动。然后, 采用反演法并结合动态面控制技术设计三维轨迹跟踪控制器, 将控制算法中微分运算转换为简单且易于实现的代数运算, 降低控制算法复杂性的同时避免“微分爆炸”问题, 结合李雅普诺夫理论证明系统闭环稳定性。最后, 对所设计的控制器进行仿真验证, 结果表明所设计观测器能够有效应对时变海流干扰问题, 精确地完成UUV的轨迹跟踪控制任务。     

无人机鲁棒轨迹线性化控制航迹跟踪设计

研究一种鲁棒轨迹线性化控制方法并将其应用于无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)航迹跟踪控制设计。通过理论分析指明传统轨迹线性化控制方法对系统中的不确定性存在鲁棒性不足的问题,采用改进隐层自适应神经网络对不确定性进行补偿,并利用Lyapunov理论证明了跟踪误差的有界性,最后将该方法应用到无人机三维航迹跟踪控制中。仿真结果表明,当参数摄动在20%时,该控制方法仍能使UAV很好地跟踪理想航迹,从而验证了该方法的有效性。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

考虑输入输出受限的无人机自适应滑模容错控制

针对存在执行器故障、控制输入饱和与状态约束的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)姿态控制系统,提出一种新的基于反步法的具有有限时间收敛的自适应滑模姿态容错控制方法。首先,为了抑制执行器故障以及外部干扰的影响,采用自适应和干扰观测器技术,实现对干扰的双重抑制。然后,设计动态辅助系统与障碍Lyapunov函数,证明在输入饱和与状态约束的条件下,闭环姿态控制系统可以在有限时间内稳定,且系统中所有信号最终是有界的。最后,对于小型无人系统的姿态跟踪问题进行性能仿真与对比仿真研究。仿真结果表明,所提出的容错控制方法能够保证在执行机构发生故障时控制系统的有效性,并且该方法具有良好的性能。     

软管式自主空中加油飞行控制系统与仿真研究

基于参考观测器的全状态反馈控制方法设计了受油机飞行控制系统,建立了软管式自主空中加油仿真系统,并进行了仿真验证。根据生成的受油机参考跟踪、对接轨迹,通过输出跟踪观测器在线估算前馈控制信号和参考状态量,设计全状态反馈控制器精确跟踪参考状态,解决了受油插头难以近距离跟踪加油锥套并实现精确对接的问题。以某型UCAV为例,设计了基于全状态反馈控制的自主空中加油仿真系统并进行了数字仿真。仿真结果表明,在四种强度阵风干扰下,设计的空中加油仿真系统能实现精确的双机加油设备跟踪与对接,具有良好的动态性能与鲁棒性能。     

基于扰动观测器的飞行器轨迹跟踪控制器设计

针对多种扰动作用下的固定翼飞行器三维轨迹跟踪问题, 设计了一种基于改进非线性扰动观测器的非奇异快速终端滑模轨迹跟踪控制器。首先推导固定翼飞行器三维轨迹跟踪误差模型, 考虑模型误差和飞行过程中的未知扰动, 设计了一种基于状态估计误差反馈的非线性扰动观测器对扰动进行观测。基于非奇异快速终端滑模控制方法, 采用双幂次趋近律设计轨迹跟踪控制器, 并证明了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明, 在多种扰动的作用下, 所设计的轨迹跟踪控制器能够对三维机动轨迹进行准确、稳定的跟踪。