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。     

飞行仿真转台模糊神经网络补偿的复合控制

针对飞行仿真转台系统的非线性和不确定性,提出了基于模糊神经网络补偿的复合控制器,该控制器由前馈控制器、闭环控制器及模糊神经网络补偿环节组成。前馈环节由零相差跟踪控制器及FIR滤波器构成,闭环控制器由PD控制及干扰观测器构成,补偿环节由一动态模糊神经网络实现,给出了基于Lyapunov函数的稳定性证明。该控制方法突出优点在于兼顾考虑了系统中的结构化不确定性和非结构化不确定性,能够在外部干扰与参数摄动并存的情况下,保证系统的稳定性和跟踪性能。     

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。     

非完整移动机器人的自适应滑模轨迹跟踪控制

针对动力学模型描述的非完整移动机器人系统，研究了其在未知参数和不确定性干扰下的轨迹跟踪控制问题，基于反演技术和自适应滑模控制的思想设计了具有全局渐近稳定的轨迹跟踪控制律。谊控制律将系统分解为低阶子系统来处理，利用中间虚拟控制量和部分Lyapunov函数简化了控制器设计，并具有直观的稳定性分析．满足了移动机器人的轨迹跟踪要求，且具有设计方法简单、鲁棒性强的特点。仿真结果验证了所设计控制器的有效性和正确性。     

鲁棒自适应输出跟踪控制在船舶操纵中的应用

针对带有未知控制增益、常参数不确定性以及外部扰动的船舶运动非线性模型，将自适应逆推技术与Nussbaum增益方法相结合，提出一种新的非线性自适应鲁棒控制策略，实现了船舶运动航向渐近跟踪控制。在所得控制器作用下的系统性能不仅能够通过设计参数而得到保证，且可克服控制器奇异值问题。设计过程及数字仿真结果均表明，所设计的自适应非线性跟踪控制器对不确定性具有良好的适应性及鲁棒性。     

基于SE(3)的航天器姿轨一体化有限时间容错控制

针对相对运动航天器,当执行机构出现故障以及外部干扰和系统不确定性同时存在的情形下,利用滑模控制的鲁棒性,提出了一种有限时间容错控制方法。基于李群SE(3)建立了单刚体航天器姿轨一体化模型,并在指数坐标下推导了相对运动航天器误差动力学方程。设计了一类非奇异快速终端滑模面,并采用等价自适应方法设计控制器估计和补偿外总扰动,提出的容错控制算法可以不依赖于故障诊断与检测环节。运用Lyapunov方法证明了系统在故障和扰动等多约束条件下的稳定性和有限时间快速收敛性,数值仿真结果分析也验证了该容错控制器的快速性、准确性与可靠性。     

基于L1自适应律的尾坐式飞行器悬停位置控制

针对一款飞翼布局的尾坐式垂直起降飞行器,研究了悬停阶段的位置控制问题。小型飞行器质量、惯量小,具有纵向横向耦合严重、难以精确建模以及对扰动敏感等特点。首先,建立包含不确定性的非线性动力学模型,通过整合将其改写为一个不含不确定的标称系统和一个非线性非匹配的不确定性两部分,使用级联形式的非线性动态逆架构进行标称系统控制器的设计,显式的期望动力学表达使其更易与L1自适应控制器结合。接着使用L1自适应控制器对非线性非匹配的不确定性进行补偿,以便提高系统鲁棒性,改善瞬态性能。为减小运算负荷,便于工程实现,使用计算更轻量的比例型自适应律进行L1自适应控制器设计。数值仿真验证了所设计控制器具有良好的位置和高度指令跟踪能力。     

可旋转翼式弹道修正组件滚转控制技术研究

针对可旋转翼式弹道修正组件滚转通道控制中存在的未建模摩擦干扰、参数不确定性和外部随机干扰造成的复合扰动问题,提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的滑模控制方法。首先建立弹道修正组件滚转通道模型,将动力学模型中存在的外部干扰、未建模摩擦干扰和参数摄动整合为复合干扰,然后设计ESO对修正组件滚转通道模型中难以直接测定的状态变量以及复合干扰进行估计,并基于估计值结合滑模控制理论设计滚转通道控制器,实现对滚转角指令的精确跟踪。综合考虑ESO和滑模控制器构成的闭环控制系统,利用Lyaponov稳定性理论证明了所设计的闭环控制系统的稳定性。最后,通过仿真实验分析,证明所设计的修正组件滚转通道控制器,对滚转角指令的瞬态响应和稳态性能优异,同时可以有效抑制系统复合扰动,具备较强的鲁棒性。     

四辊轧机电液IGC系统鲁棒H∞控制器设计

针对某四辊冷轧机，建立了其二自由度机架．辊系动力学模型，并进一步建立其电液IGC（IngapGaugecontr01）闭环控制系统模型．考虑此电液IGC模型的参数不确定性，利用H∞混合灵敏度简化算法设计了辊缝闭环控制器．仿真研究结果及与常规PID控制效果的比较表明，所设计的控制器对于电液伺服系统的参数不确定性具有很好的抑制性能，提高了电液IGC系统的动态性能和稳定性。     

飞行器抗饱和鲁棒自适应非线性模型预测控制

针对巡航飞行器同时存在较大外部干扰和模型参数不确定性时自适应预测控制性能下降的问题,设计了带有模糊干扰观测器(fuzzy disturbance observer, FDO)补偿的鲁棒自适应非线性模型预测控制(robust adaptive nonlinear model predictive control, RANMPC)方法(简记为FDO-RANMPC方法)。首先,利用具有未知参数限制条件的递推最小二乘方法在线辨识模型参数;其次,利用模糊干扰观测器输出值抵消幅值较大的复合干扰,再利用Tube鲁棒预测控制策略设计了飞行器底层姿态系统具有稳定保障的FDO-RANMPC控制器;最后,在考虑复合不确定性情况下对指令姿态角跟踪的仿真中验证了控制器的有效性及其渐进稳定性。     

基于干扰估计的BTT导弹鲁棒方差姿态控制

针对存在非线性和不确定性的倾斜转弯(bank-to-turn, BTT)导弹姿态控制问题,提出基于干扰估计的鲁棒方差控制方法。将姿态运动中非线性项和不确定项作为总干扰,采用干扰观测器进行估计,并引入控制系统进行补偿。干扰观测器的观测误差作为BTT导弹姿态运动的干扰输入,为了保证控制系统具有良好的动态和稳态性能,采用鲁棒方差控制理论设计了线性反馈控制器,将闭环极点配置在特定圆盘区域,同时将状态变量的稳态方差保持在给定的范围内。仿真结果表明,所提出的鲁棒方差姿态控制器能够保证良好的控制效果,鲁棒性强。     

冷连轧机张力系统H∞混合灵敏度鲁棒控制器设计

针对2030五机架冷连轧机四五机架间张力系统被控对象,利用H混合灵敏度鲁棒控制方法设计了其张力鲁棒控制器。仿真研究结果及与常规PI控制效果的比较表明,所设计的张力鲁棒控制器对前后滑和外界干扰等不确定性具有更好的抑制作用,从而证明了所设计控制器的有效性。     

机械臂模糊超螺旋二阶滑模轨迹跟踪控制

针对工业机械臂模型误差和外部干扰等不确定性因素对末端轨迹跟踪精度的影响,设计了一种新的模糊自适应超螺旋二阶滑模轨迹跟踪控制方法。基于机械臂动力学模型,设计一种新的非奇异终端滑模面,采用超螺旋算法设计二阶滑模控制律;为解决滑模控制只能在已知扰动边界的情况下对匹配扰动进行补偿问题,结合模糊推理算法实现对系统未知不确定性的在线补偿,采用Lyapunov理论证明了闭环控制系统的稳定性。仿真与实验对比表明：该控制方法可使机械臂在复杂不确定性因素下实现末端轨迹精确跟踪,并对系统抖振现象进行有效抑制。     

基于递归神经网络的伺服系统自适应反步控制

针对伺服系统的系统参数摄动和非线性动态摩擦补偿问题,提出基于递归神经网络(RNN)的自适应反步控制(RNABC)系统设计方法.RNABC系统由反步控制器和鲁棒控制器组成,反步控制器包含RNN不确定观测器,鲁棒控制器则用来消除由于引入不确定观测器而带来的逼近误差.由于自适应反步控制的自适应律源于Lyapunoy函数的,因此系统的稳定性得到了保证.仿真结果表明,对于系统参数摄动和非线性摩擦干扰RNABC能使伺服系统具有很好的跟踪性能.     

液压伺服驱动位置控制系统的鲁棒性能设计

针对液压伺服动连铸结晶器位置环控制对象，实测了其对数幅频特性，产拟合得到控制对象的较准确的数学模型，考虑伺服系统的干扰来自被控制对象输入端，而且系统存在高频未建模动态和参数时变性，不确定性，文章采用μ综合的方法，设计了其降阶鲁棒控制器，仿真 结果表明，所设计的控制器使闭环系统对输入端的干扰有强的抑制能力，系统也很好地跟踪了10Hz的正弦输入信号、达到了期望性能。     

输入约束下的浮力调节式UUV变深控制

针对浮力调节机构约束下无人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)的变深控制问题,提出一种基于正交神经网络饱和补偿器的自适应动态面控制方法。首先,建立考虑执行机构动态特性的UUV数学模型。在此基础上,采用反步法和非线性跟踪微分器设计动态面控制器,同时引入线性扩张状态观测器(linear extended state observer, LESO)在线估计浮力变化与模型不确定性引起的干扰,继而在控制器中进行补偿。然后,基于正交神经网络设计饱和补偿器,并证明闭环系统所有误差一致最终有界。仿真结果表明,与现有的动态面控制方法相比,所提方法在浮力调节机构约束下,具有较好的动态性能与稳态精度。     

基于有限时间收敛干扰观测器的探导控一体化设计

针对滚仰式半捷联寻的制导导弹, 提出一种基于有限时间干扰观测器(finite time disturbance observer, FTDO)的探导控一体化滑模控制器设计方法。首先基于滚仰式半捷联导引头动力学模型和导弹制导控制模型, 建立了全状态耦合探测、制导、控制一体化控制模型。在模型中将不确定项和误差视为干扰, 通过有限时间收敛干扰观测器对干扰进行估计。对探导控一体化模型进行分块反演滑模控制律设计, 并验证了控制器的稳定性。仿真结果表明, 一体化控制方法提高了导弹对目标机动的响应能力和目标跟踪的稳定性, 并实现了比传统级联控制方法更小的脱靶量。     

视觉导航辅助的自主空中加油建模与仿真

研究了基于视觉导航方式的自主空中加油（AAR）建模问题。分析了影响自主空中加油对接阶段性能的两个最重要因素——相对距离的测量和风扰动,引入了多个摄像机,建立了适合AAR的视觉导航系统模型,建立了大气扰动和尾流等风扰动下的飞行器模型,用三次多项式规划了对接阶段的航迹并设计了LQR航迹跟踪控制律。对接过程仿真表明,视觉导航的估计精度和飞行控制律性能很好地满足了空中加油的要求。

Abstract：

The modeling problem of autonomous aerial refueling based on vision navigation was researched.The two most important factors affecting the performance of AAR were analyzed,which were the measure of the relative distance and wind disturbance.The vision navigation system suitable for AAR was adopted and modeled using multiple cameras.The dynamic model of plane with the effect of wind was built.Path of docking was planed using cubic interpolators and tracking control was designed with LQR.The result of simulation shows that the accuracy of vision navigation system and the performance of control law can meet requires of aerial refueling.     

自主空中加油输油阶段无人机建模与控制

针对自主空中加油输油阶段无人机位置保持控制问题,将无人机分为飞机本体和油箱两部分,利用变质量系统理论建立了无人机非线性方程,解决了常规模型无法反映出无人机重量、重心变化的问题。控制律设计方面,通过将变化的油箱转化为外界干扰,提出了基于干扰观测器控制（disturbance observer based control, DOBC）的复合控制结构。复合控制器由位置保持控制器和干扰观测器组成,位置保持控制器采用带积分的线性二次型方法,干扰观测器由比例积分观测器和补偿单元构成,并证明了复合控制器的稳定性。仿真结果表明,将该控制器应用于某型高空无人机非线性模型,可有效减小输油过程带来的影响,实现了输油阶段的位置保持控制。