推力矢量垂直短距飞机轨迹优化与控制

推力矢量垂直短距起降(V/STOL)飞机是一种兼顾巡航飞行速度和起降灵活性的新型飞机.本文首先建立了包含执行器饱和的V/STOL飞机动力学模型;然后针对V/STOL飞机在过渡过程阶段面临的强耦合、强非线性的特点,使用梯度下降法进行最优过渡过程轨迹优化并采用适应性矩估计算法(Adam)加速了优化过程;在此基础上,以最优轨迹为基础设计前馈控制器,同时通过对比真实飞行状态与所设计的最优状态给出反馈补偿量,保证了实际的过渡过程沿着最优轨迹进行.经过仿真实验可以发现,该方法具有过渡过程时间短、姿态平稳、鲁棒性强的优点.     

一种固定时间收敛模型参考终端滑模控制方法

针对一类具有模型不确定性和外部扰动的时变非线性系统, 基于模型参考控制方法, 设计了具有固定时间收敛特性的终端滑模控制器. 首先, 提出一种带有输入饱和限幅和补偿信号滤波的模型参考控制结构; 然后针对广义误差信号, 采用新型终端滑模面设计了补偿控制器, 较好地平衡靠近和远离平衡点的收敛速度. 基于李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性和固定时间收敛特性, 并给出了收敛时间上界. 最后将该方法应用到含有极限环的非线性系统跟踪控制中, 仿真结果验证了该方法的有效性.     

基于单步最优方法的推力矢量垂直短距飞机过渡过程控制

推力矢量垂直短距起降飞机(V/STOL)具有巡航速度快和起降灵活的特点,近年来受到了广泛的关注.然而,该型飞机需要经历悬停转平飞和平飞转悬停的过渡过程阶段,期间飞机会面临强耦合、强非线性等控制难题,使得传统控制器难以胜任.针对上述问题,通过充分考虑执行器的执行能力,提出一种基于单步最优方法的过渡过程控制策略.所提方法结合推力矢量V/STOL飞机的特点,在确保飞机姿态可控的前提下使飞机水平加速度最大,同时使三轴承推力矢量喷管转角向目标转角不断靠近,从而以最快的速度完成过渡过程,并进行控制器切换.仿真实验验证了所提方法具有过渡过程时间短、姿态平稳的优点.     

考虑作动器动态补偿的飞机增量滤波非线性控制

针对飞机大迎角机动存在的模型参数不确定问题,提出了一种考虑作动器动态补偿的增量滤波非线性控制方法.基于推力矢量飞机姿态控制模型,利用Taylor级数展开和状态导数反馈分别设计了增量形式的气流角和角速度控制器.针对低通滤波求取状态导数产生的延迟,通过对控制量进行滤波补偿保证了状态导数反馈和控制量反馈的时间同步性.在此基础上分析了作动器动态对角速度闭环控制性能的影响,通过补偿器设计使系统具有期望的作动器动态,克服了增量式控制方法对作动器高带宽的限制.仿真结果表明本文提出的增量滤波非线性控制方法具有强鲁棒性和快速动态响应能力.     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

考虑执行器饱和的改进无模型自适应控制

无模型自适应控制（Model free adaptive control,MFAC）是一种数据驱动的控制方法,具有计算简单、鲁棒性强、无需建模等优点.目前无模型自适应控制方法普遍未考虑可能出现的执行器饱和问题.本文针对这一问题,对执行器执行能力存在上限的情况设计了改进算法.该算法通过对控制输入准则函数引入约束条件,使用Hildreth方法进行数值求解,具有编程简单、计算量小的优点.在此基础上分析并证明了闭环稳定性.最后以蒸馏塔模型为控制对象,通过对比仿真实验验证了算法的有效性.