基于非线性动态逆的水下运载器控制方法研究

针对水下运载器具有强非线性、强耦合、多输入多输出、水动力作用复杂以及姿态变化剧烈等特点,设计了一种非线性动态逆控制系统,解决了传统控制器设计方法在线性化过程中因忽略非线性因素带来局限性的问题。通过慢回路姿态控制器和快回路姿态控制器的设计解决了水下运载器非线性、强耦合以及多输入多输出的问题,并且运用Lyapunov 稳定性分析证明了控制器的稳定性。控制方法跟踪单位阶跃信号时稳态时间为1 s,超调量为4%,较PID 控制的动态特性有较大提升。非线性控制系统仿真结果表明该控制器对于依30%水动力参数不确定性具有一定的鲁棒性。摇摇     

自主水下航行器非线性鲁棒动态逆姿态控制系统设计

为了解决消除或减小动态逆控制中逆误差对控制系统性能的影响,针对自主水下航行器(AUV)姿态控制系统,设计一种鲁棒动态逆控制器,利用动态逆控制方法可以直接对非线性系统实现精确线性化的特点,将AUV姿态控制系统等效成一个含有不确定性但已经解耦的线性系统,采用H_∞回路成形方法进行设计。通过数学仿真,考虑模型参数以及水动力参数不确定性的情况下,该方法在一定程度上有效地抑制了逆误差的影响,使控制系统具有较强的鲁棒性。     

基于增量动态逆的倾转旋翼飞行器飞行控制律设计

针对非线性动态逆控制对模型精确度要求高、鲁棒性差的特点,设计了基于增量非线性动态逆方法的倾转旋翼飞行器全模式飞行控制律。在倾转旋翼飞行器动力学模型的基础上推导出增量动态逆控制律,针对倾转旋翼飞行器操纵存在冗余的特点,在增量动态逆算法的基础上引入舵面控制分配算法;提出一种实时解算控制效率B阵的方法,并设计了一种能够降低对精确数学模型依赖的全模式控制律。通过仿真验证了所提算法对倾转旋翼飞行器控制的有效性。     

基于在线神经网络的无人机着陆飞行自适应逆控制器设计

基于在线神经网络设计了无人机着陆飞行自适应逆控制器。根据时标分离的原则,将无人机系统分解为快慢不同的四个回路,采用动态逆的方法设计快回路、慢回路和非常慢回路控制器,并且在慢回路和非常慢回路用基于在线神经网络的干扰观测器逼近无人机所受的扰动和动态逆误差,降低了控制器对干扰和模型精确度的要求,增强了控制器的鲁棒性。仿真结果说明所设计的无人机着陆控制器是非常有效的。     

BTT无人机非线性控制系统设计

基于动态逆和变结构控制理论设计了BTT无人机控制系统。首先详细推导了适合BTT无人机控制的精度较高的数学模型，然后应用时间尺度分离的方法把整个BTT控制系统分为快变量控制和慢变量控制两个子系统，再对每个子系统应用动态逆和变结构控制理论进行控制律设计，应用变结构控制克服了单纯应用动态逆鲁棒性较差的缺点。最后通过数字仿真分析得出：应用动态逆和变结构控制的非线性控制方法设计BTT无人机控制系统是有效的。     

无动力运载器纵向运动的非线性动态逆控制

无动力水下运载器的运动有着强烈的非线性,传统的非线性系统近似线性化建模有着不可忽视的局限性,文中将逆系统理论应用于运载器的纵向运动控制中,仿真结果表明所设计的控制律具有较好的控制效果.     

基于神经网络动态逆的巡逻导弹自动驾驶仪设计

针对巡逻导弹,讨论一种将神经网络与非线性动态逆相结合的自动驾驶仪设计方法。基于双时标假设,将弹体动力学分为慢变子系统和快变子系统,并分别进行动态逆设计。为克服模型不精确和参数摄动引起的逆误差对动态逆控制的不利影响,引入神经网络对逆误差进行在线补偿。推导了神经网络权值调整规律,并证明系统的闭环稳定性。通过仿真验证,采用神经网络能弥补动态逆控制的不足,提高控制系统的鲁棒性,是一种有效的非线性设计方法。     

无鳍舵无动力水下运载器发射潜空导弹仿真研究

针对鳍舵式无动力运载器系统结构复杂、水动力环境复杂及水下弹道控制复杂等问题,提出一种无鳍舵水下运载器发射模型。该运载器具有长圆柱体外形、无鳍舵控制、鱼雷管水平发射的特点,运载器由浮力推动上升,浮力和重力构成的恢复力矩可调整运载器出水姿态,具有系统结构简单、水动力环境简单、水下弹道控制简单等优点。利用Matlab的Simulink仿真平台对其进行验证,仿真结果表明,运载器水下运行轨迹符合理论预期,出水速度和姿态满足潜空导弹水面发射要求。     

基于神经网络干扰观测器的导弹飞行控制器设计

利用RBF神经网络的自学习能力,并结合非线性动态逆原理,设计了一种基于RBF神经网络干扰观测器的导弹动态逆控制器。根据时标分离的原则,可将导弹系统分解为快慢不同的四个回路,本文主要对快、慢两个回路分别设计动态逆控制器,并且在慢回路利用RBF神经网络干扰观测器估计导弹所受的扰动,同时,用于在线估计动态逆误差,降低了控制器对干扰和模型精确度的要求,增强了控制器的适应性。仿真结果表明,该控制器具有有效性和鲁棒性。     

再入姿态的自适应逆控制应用研究

文中首先简要介绍了用于系统建模的LMS(最小均方误差)滤波和自适应逆控制原理．然后研究其可在重复使用运载器(RLV．Reusable Launch Vehicle)姿态控制中的应用．并通过仿真验证了在环境参数剧烈变化和系统具有较强不确定性的情况下，自适应逆控制能够对可重复使用运动器进行鲁棒、精确地控制。     

新型随控布局水下航行器近水面运动非线性模型研究

采用随控布局的新型水下航行器配备有多个不同方向的推进器,实现了直接升力控制和直接侧向力控制,具有巡航和悬停2种运动模式。文中详细分析并建立了不同运动模式下的流体动力模型以及环境因素的扰动作用模型,建立了新型水下航行器的6自由度非线性低频运动模型以及波浪作用下的高频运动模型,并进行了计算机仿真。仿真结果表明,该模型不仅可以模拟航行器的巡航以及悬停运动状态,还可以描述航行器的低频运动和高频运动状态,为航行器近海面运动的控制系统设计与仿真提供了参考。     

基于反步法和非线性动态逆的无人机三维航路跟踪制导控制

为实现无人机在大范围内稳定、精确地跟踪三维参考航路,基于制导与控制回路独立设计的思路,提出了一种无人机三维航路跟踪制导控制方法。在制导外环,引入沿参考航路飞行的虚拟无人机作为向导并利用反步法设计三维航路跟踪的非线性制导律;在控制内环,以非线性动态逆理论和奇异摄动理论为基础,设计由机动指令生成器、角度转换器、慢回路姿态控制器和快回路角速度控制器所组成的飞行控制模块,对制导外环给出的制导指令进行快速精确地跟踪。基于Lyapunov稳定性理论证明了无人机航路跟踪制导控制方法的稳定性。通过对比分析无人机6自由度模型下的三维航路跟踪仿真,说明所提出的制导控制方法能够使得无人机精确地跟踪参考航路,从而验证了该方法的有效性、合理性。     

超高速水下航行器纵平面运动特性分析

超高速水下航行器运行于巡航阶段时，由于大部分表面被超空泡所包覆，其运动模式完全不同于常规的全沾湿水下航行器，表现出独有的运动特性。为了对超高速水下航行器实施深度和姿态控制，研究其纵平面运动特性是必要的。该文从超高速水下航行器流体动力产生的机理出发，分析了其力学特性，建立了航行器纵平面运动方程，分析了其欠阻尼运动特性，指出了运动控制中攻角不得超限的关键问题，给出了控制作用不能太强的建议，以上分析结论可为超高速水下航行器控制系统设计提供参考。     

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法（LBM）的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明：与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。     

无人机倾斜转弯非线性飞行控制系统设计

研究无人机(UAV)的倾斜转弯(BTT)飞行控制系统的设计方法,解决UAV高机动倾斜转弯飞行时运动强烈耦合、气动特性强非线性和参数非定常性等特性带来的飞行控制系统设计难题。采用线性二次型最优调节规律对UAV非线性运动零动态系统进行增稳调节;运用非线性控制系统中精确反馈线性化方法对UAV非线性系统进行线性化处理;运用滑模变结构控制方法设计了UAV的BTT控制规律,得到由增稳最优调节规律和滑模变结构控制规律构成的UAV的BTT非线性鲁棒飞行控制系统。基于无人机六自由度非线性动力学模型,进行BTT非线性飞行控制系统数字仿真,仿真结果表明：该控制系统即使在扰动条件下也能达到满意的控制品质,控制糸统的鲁棒性和控制精度能满足UAV高机动倾斜转弯飞行时的控制要求。     

基于改进动态逆的纵向着舰控制律设计

：针对舰尾气流和甲板运动影响着舰精度的问题,提出一种基于自适应动态逆的纵向着舰控制律设计方法。 建立舰载机模型、舰尾流和甲板运动模型,基于自适应动态逆控制设计纵向自动驾驶仪,并在Lyapunov 稳定意义下 证明了控制器的稳定性;设计着舰导引律和迎角恒定的动力补偿器;采用Monte Carlo 模拟方法对建立的自动着舰控 制系统进行仿真验证。仿真结果表明：该自动着舰控制律具有更好鲁棒性,能够削弱舰尾流和甲板运动的影响,提 高了着舰的精度。     

高超飞行器的非线性预测姿态控制

针对高超飞行器姿态动力学模型多约束、多变量耦合和非线性的特点,采用预测控制理论设计了时变自适应控制器.根据奇异摄动理论将复杂的动力学分解为快慢内外环动力学,直接对非线性系统伪线性化建模,把非线性优化问题转化为线性时变系统的次优化;将指标约束、输入约束、稳定约束转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,在线滚动优化求解预测反馈控制律.结果表明,该控制方案保证了闭环系统的稳定性.     

水下航行体充气上浮仿真方法研究

为研究气囊展开对水下航行体充气上浮过程中的姿态变化以及运动轨迹的影响,提出一种多学科协同仿真方法。建立水下气囊的展开动力学模型,基于控制体积算法获得气囊充气展开过程的体积膨胀率曲线;在保持气囊体积膨胀率等效的条件下,建立可以同时耦合航行体6自由度刚体运动和气囊局部变形的水动力模型,并基于Navier-Stokes方程进行计算。通过仿真计算,得到水下航行体充气上浮的精细化过程,并获得水下航行体上浮时合力分量的时间历程曲线和姿态变化数据。结果表明：气囊的增浮作用能有效实现航行体的上浮回收;在上浮过程中,由于漩涡结构的不对称性使得航行体受到一定侧向力的作用,上浮时处于螺旋上升过程;上浮时,航行体会受到水流提供的竖向力作用,因此为加快上浮,上浮前应尽量调整航行体的攻角为正。     

带矢量推力无人机动态逆控制律设计

介绍了带矢量推力无人机的相关知识,并将非线性动态逆理论应用到带矢量推力无人机的飞行控制中,通过对带矢量推力无人机数学模型的分析简化,进行了无人机角速度、姿态角、线速度三个回路的控制律设计,并进行了仿真试验,通过对试验结果的分析,验证了非线性动态逆控制法的正确性和有效性。