高超声速飞行器最优PIF-LQR控制器设计

以一类通用高超声速飞行器的非线性纵向模型为研究对象,对其线性化后,应用LQR理论设计了一种多输人多输出的最优控制器.通过引入比例积分滤波器(PIF),有效地抑制模型参数变化所引起的扰动,实现飞行器对速度和高度变化指令精确跟踪.将所设计控制器应用于具有不确定参数的高超声速飞行器扰动模型,通过仿真对控制器的鲁棒性进行评估.仿真结果表明,尽管存在参数不确定性,所设计控制器能够满足高超声速飞行器在复杂飞行条件下的控制要求,具有较强的鲁棒性.     

基于模糊控制的高超声速飞行器二阶滑模姿态控制

考虑高超声速飞行器飞行过程中气动参数变动导致的不确定,将模糊控制与二阶滑模控制相结合,形成自适应模糊二阶滑模控制器,用于控制高超声速飞行器姿态的飞行系统中.依据奇异摄动理论,设计快速和慢速双闭环系统控制角速率和姿态角.设计二阶滑模控制器用于有效地衰减抖振,同时对姿态角指令实现准确和快速跟踪.采用自适应模糊逻辑逼近高超声速飞行器动力学和运动学模型中的不确定部分,以对控制器进行有效补偿,基于Lyapunov稳定性理论,推导模糊规则参数的自适应律,确保整个闭环控制系统的稳定.仿真结果表明,所提出的高超声速飞行器的自适应模糊滑模控制系统能够有效抑制气动参数摄动的影响,对姿态角指令有较好的跟踪性能.     

高超声速飞行器调度双模预测控制方法

针对一类具有大包线飞行和快时变特性的高超声速飞行器,采用多个线性时变(LTV)多胞模型近似地描述高超声速飞行器的纵向非线性模型.对于各LTV多胞模型,离线设计局部双模预测控制器来显式地处理控制输入和状态的约束问题,并获得相应的稳定域.然后,构造各局部控制器间稳定的切换策略.仿真结果表明,所提方法在控制输入和状态满足给定的约束范围情况下,不仅能更快地跟踪较大范围的速度和高度的指令信号,而且大幅减少了在线计算时间.     

基于Backstepping的高超声速飞行器模糊自适应控制

提出了高超声速飞行器的模糊自适应控制方法.根据飞行器纵向模型的特点,分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于Backstepping的高度控制器,模糊自适应系统用来在线辨识飞行器模型由于气动参数的变化而引起的不确定性,采用Lyapunov理论设计的自适应律保证了系统的稳定性与指令跟踪的精确性.仿真使用了高超声速飞行器的纵向模型对算法进行了验证,得到了较满意的控制效果.     

变体飞行器平滑切换LPV 鲁棒控制

针对一类变体飞行器控制问题, 提出一种平滑切换线性变参数(LPV) 鲁棒控制器设计方法. 建立变体飞行器切换LPV 模型, 设计平滑切换控制器, 其中偶数子系统控制器由相邻两个子系统控制器线性插值得到. 给出保证切换LPV 系统指数稳定且具有一定鲁棒性能的充分条件, 由于考虑了调参变量的渐变特性, 所得切换律没有平均驻留时间的限制. 仿真结果表明, 所提出方法使得飞行器系统既具有良好的稳定性和鲁棒性, 又能实现平滑切换.

     

基于模糊系统的高超声速飞行器预测控制

高超声速飞行器跨临近空间飞行,具有高超声速、参数时变等特征。本文针对具有大范围时变参数的高超声速飞行器,为使其能有效地跟踪飞行器的高度和速度指令,将基于模糊系统的预测控制应用于高超声速飞行器的轨迹控制中,给出了详尽的设计方法。根据系统的跟踪误差在线调整模糊系统的权值,使其一致逼近高超声速飞行器模型中的未知非线性函数,基于李亚普诺夫原理,推导了规则参数调整的自适应律。仿真结果表明该算法对系统的不确定性有较强的鲁棒性,使高超声速飞行器控制系统具有较好的动态与静态品质,可应用于临近空间飞行器轨迹控制等领域。     

高超声速飞行器神经网络动态逆姿态控制器设计

以一类通用高超声速飞行器纵向模型为研究对象,推导了飞行器纵向姿态运动方程。考虑受到飞行器附加攻角扰动以及气动参数不确定性的影响,对运动方程中速率变化快慢不同的攻角和俯仰速率分别引入精确线性化动态逆反馈,并利用神经网络对系统逆反馈误差进行补偿,有效地抑制了模型参数摄动,实现了对攻角指令的精确跟踪。将设计的控制器对高超声速非线性模型进行系统闭环仿真,仿真结果说明所设计的姿态控制器具有抗参数摄动的性能,能够满足高超声速飞行器复杂飞行条件下的姿态控制要求,具有较强的鲁棒性。     

基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制研究进展

钱学森先生1945年在论文《论高超声速相似律》中,首次提出了高超声速(hypersonic)的术语.高超声速飞行器具有的强大的军事和民事应用前景,20世纪80年代初,在世界上掀起了研究和发展高超声速飞行器的热潮,其中高超声速飞行器控制是其关键科学和技术问题之一.高超声速飞行器的研究取得了大量理论成果,与其形成鲜明对比的是,高超声速飞行器在试飞实验中却遇到了很大困难,例如X–51A,HTV–2.这种现象不得不引发我们进行深入思考.由于高超声速空气动力学研究的局限性,导致目前所建立的高超声速飞行器的动力学模型,与真实系统相比,其结构和参数不确定性非常大,它从根本上限制了控制理论和方法的研究.并且由于高超声速飞行器动力学模型的复杂性,导致目前工程应用中的控制方法复杂化.因此,针对高超声速飞行器控制问题,需要深入开展气动、控制交叉学科的研究,以及适于工程应用的自适应控制的研究.针对上述问题,我们开展了一定的研究.我们建立了三轴耦合的高超声速飞行器被控对象类X–20及其气动模型,并结合工程应用,直接针对表格形式的气动模型开展控制研究.针对强耦合和无解析动力学的控制问题,特征模型理论有其独特优势.近年来,我们系统研究了基于特征模型的高超声速飞行器的爬升、滑翔和再入控制问题.本文首先介绍特征模型理论和方法,进而综述和分析基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制的研究进展,并提出进一步需要研究的问题.     

高超声速飞行器姿态的变结构控制

针对高超声速飞行器运行环境中气动参数大范围变化可能导致失稳现象,构建高超声速飞行器姿态的滑模变结构控制器。通过多时间尺度理论将飞行器姿态控制系统分为内外双闭环子系统,分别为内外环设计滑模姿态控制律,保证控制系统对气动参数变化不敏感,能稳定准确地跟踪期望姿态角指令。仿真结果表明所提滑模变结构姿态控制算法性能良好,对气动参数变化有一定的鲁棒性。     

高超声速飞行器姿态控制系统设计

研究气动特性是飞行器姿态稳定性的保证,高超声速飞行器采用姿态控制有助于提高作战效能及生存能力.针对高超声速飞行器作战环境复杂,大气密度偏差大、力/力矩系数不准确造成气动参数偏差较大等特点,采用参数空间方法来设计姿态控制系统.首先建立适用于姿态控制系统的高超声速数学模型,在高超声速气动特性条件下,提出三回路姿态稳定控制系统,根据参数空间方法的原理设计出各回路控制器,最后进行仿真分析验证控制系统的性能.仿真结果表明当气动参数存在较大偏差时,采用基于参数空间法设计的高超声速姿态控制系统可以确保对指令的精确跟踪,并且具有较强的鲁棒稳定性.     

Linear parameter varying switching attitude control for a near space hypersonic vehicle with parametric uncertainties

This paper deals with the problem of linear parameter varying (LPV) switching attitude control for a near space hypersonic vehicle (NSHV) with parametric uncertainties. First, due to the enormous complexity of the NSHV nonlinear attitude dynamics, a slow–fast loop polytopic LPV attitude model is developed by using Jacobian linearisation and the tensor product model transformation approach. Second, for the purpose of less conservative attitude controller design, the flight envelope is divided into four subregions. For each parameter subregion, slow-loop and fast-loop LPV controllers are designed. By the defined switching character function, these slow–fast loop LPV controllers are then switched in order to guarantee the closed-loop NSHV system to be asymptotically stable and satisfy a specified tracking performance criterion. The condition of LPV switching attitude controller synthesis is given in terms of linear matrix inequalities, which can be readily solved via standard numerical software, and the robust stability analysis of the closed-loop NSHV system is verified based on multiple Lypapunov functions. Finally, numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the proposed approach.     

Linear,parameter-varying control of a supercavitating vehicle

A systematic approach to parameter-dependent control synthesis of a high-speed supercavitation vehicle (HSSV) is presented. The aim of the control design is to provide robust reference tracking across a large flight envelope, while directly accounting for the interaction of liquid and gas phases with the vehicle. A nonlinear dynamic HSSV model is presented and discussed relative to the actual vehicle. A linear, parameter-varying (LPV) controller is synthesized for angle rate tracking in the presence of model uncertainty. The control design takes advantage of coupling in the governing equations to achieve improved performance. Multiple LPV controllers synthesized for smaller overlapping regions of the parameter space are blended together, providing a single controller for the full flight envelope. Time-domain simulations implemented on high-fidelity simulations, provide insight into the performance and robustness of the proposed scheme.     

基于参数依赖滚动时域H∞控制的高超声速飞行器控制

针对输入受限的高超声速飞行器强耦合、强非线性以及严重不确定性的特点,提出一种参数依赖滚动时域?∞控制(PD-RHHC)的方法.首先在考虑控制输入约束的条件下,引入参数依赖Lyapunov函数和松弛因子并提出了基于LMI优化的PD-RHHC;然后采用函数替换方法,结合张量积模型转换方法实现高超声速飞行器(HSV)纵向非线性弹性模型的LPV描述,并将PD-RHHC应用到高超声速飞行器纵向控制中,以实现HSV在大飞行包线内的机动飞行;最后通过仿真实验验证了所提出算法的有效性.     

An implementable digital adaptive flight controller designed using stablized single-stage algorithms

Adaptive flight control systems are of interest because of their potential for providing uniform stability and handling qualities over a wide flight envelope despite uncertainties in the open-loop characteristics of the aircraft. Because of the potential for actual implementation of adaptive control algorithms using contemporary, small digital computer equipment, a study has been made to define an implementable digital adaptive control system which can be used for a typical fighter aircraft. Towards such an implementation, an explicit adaptive controller, which makes direct use of on-line parameter identification, has been developed and applied to both the linearized and nonlinear equations of motion for the F-8 aircraft. This controller is composed of an on-line weighted least squares parameter identifier, a Kalman state filter, and a real model following control law designed using single-stage performance indices. The corresponding control gains are readily adjustable in accordance with parameter changes to ensure asymptotic stability if the conditions of perfect model following are satisfied, and stability in the sense of boundedness otherwise. Simulation experiments with realistic measurement noise indicate that the controller was effective in compensating for parameter variations and capable of rapid recovery from a set of erroneous initial parameter estimates which defined a set of destabilizing gains.     

Adaptive flight control using optimal linear regulator techniques

Simple mechanical linkages are often unable to cope with the many control problems associated with high performance aircraft maneuvering over a wide flight envelope. One procedure for retaining uniform handling qualities over such an envelope is to implement a digital adaptive controller. Towards such an implementation an explicit adaptive controller, which makes direct use of online parameter identification, has been developed using linear analysis, and has been evaluated using both the linear and nonlinear equations of motion for a typical fighter aircraft. The system is composed of an online weighted least squares parameter identifier, a Kalman state filter, and a model following control law designed using optimal linear regulator theory. Simulation experiments with realistic measurement noise indicate that the proposed adaptive system has the potential for on-board implementation.     

带有干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

针对高超声速飞行器非线性和易受干扰影响的特点,提出了带有扩张状态干扰观测器的连续滑模控制方法.在对飞行器非线性模型做线性化处理的基础上,设计了一种连续时间滑模控制器.该控制器在对不确定性和未知动态保持鲁棒性的基础上,消除了传统滑模中存在的抖振现象.对系统中存在的外加干扰,设计了扩张状态干扰观测器.将外加干扰作为系统的一个状态变量被估计出来,再将估计值用作滑模控制器的补偿量,进而达到消除外干扰的目的.在高超声速飞行器巡航飞行状态的基础上进行了仿真.仿真结果表明,所提出的方案能够满足控制要求.     

基于随机鲁棒设计的高超音速飞行器线性二次型控制

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的线性二次型控制。这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立随机鲁棒目标函数,并通过遗传算法优化控制系统设计参数。该控制方案保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能。基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。     

Adaptive dynamic surface control of a hypersonic flight vehicle with improved tracking

This work presents a nonlinear adaptive dynamic surface air speed and a flight path angle control design procedure for the longitudinal dynamics of a generic hypersonic flight vehicle. The proposed design scheme takes into account the magnitude, rate, and bandwidth constraints on the actuator signals. A new approach is used to enhance tracking performance and avoid a large initial control signal. The uncertain nonlinear functions in the flight vehicle model are approximated by using radial basis function neural networks. A detailed stability analysis of the designed controllers shows that all the signals of the closed‐loop system are uniformly ultimately bounded. The robust performance of the design scheme is verified through numerical simulations of the flight vehicle model for various parameter variation test cases. Copyright © 2011 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

压水堆功率跟踪自适应保性能控制器设计

针对压水堆动态模型的高度非线性和不确定性特点,本文提出一种自适应保性能跟踪控制器(adaptive guaranteed cost control,AGCC)设计方法.首先以堆芯的点堆方程为基础,引入功率跟踪误差的积分项,构造反应堆的增广状态空间模型,再结合线性参数变化(linear parameter varying,LPV)理论,建立了堆芯系统的多胞LPV模型.该控制器的控制输入由状态反馈控制和不确定性补偿组成,结合保性能控制理论和多胞模型理论,求解线性矩阵不等式得到变增益状态反馈矩阵,确保闭环系统全局渐近稳定;利用李亚普诺夫稳定理论得到不确定性参数的自适应律,实现对系统不确定性的动态补偿.仿真结果表明,该控制器不仅对系统不确定项具有自适应性,而且有较好的负荷跟踪性能.