未知海流干扰下自主水下航行器位置跟踪控制策略研究

针对存在参数不确定性的欠驱动自主水下航行器 (AUV)水平面位置跟踪控制问题,基于李雅普诺夫理论,利用反步法设计了一种非线性控制器。利用自适应控制技术对模型本身不确定性进行补偿,同时引入自适应模糊控制技术对非线性控制器进行优化;设计了一种针对于缓慢未知时变海流的指数收敛观测器,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个AUV闭环控制系统的稳定性。针对一种新型飞翼式欠驱动AUV进行数值仿真,结果表明所设计控制器可以准确地对期望轨迹进行跟踪,证明了其有效性和鲁棒性。     

海流干扰作用下欠驱动AUV航路点跟踪控制

针对海流干扰作用下欠驱动自主水下航行器（AUV）的航路点跟踪控制问题,建立了水平面内欠驱动AUV三自由度数学模型,以相对于水流的前向速度和角速度为虚拟输入,设计了航路点跟踪控制的运动学控制律,然后基于反演方法设计了动力学控制律,得到控制力和控制力矩。在航路点跟踪控制仿真研究中,指定AUV依次通过惯性坐标系内一系列航路点,仿真结果表明,所设计的控制律有效,欠驱动AUV能较好的完成航路点跟踪任务,并到达最终目标点。     

常值海流作用下的AUV水平面路径跟踪控制

针对欠驱动AUV在常值海流影响下的水平面路径跟踪控制问题,建立了常值海流作用下的AUV运动学和动力学模型;采用以自由参考点为原点的Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差及其动态模型;综合应用Lyapunov方法和Backstepping技术设计了AUV路径跟踪的运动学和动力学控制律,保证了路径跟踪误差在常值海流影响下的全局渐近稳定性。通过仿真实验与未考虑海流作用的路径跟踪控制进行对比,验证了该方法能够有效克服常值海流的干扰作用,路径跟踪误差全局渐近稳定。     

饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制

针对控制输入存在饱和限制的欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪问题,提出了一种饱和 控制方法。在航迹跟踪误差方程基础上,设计了一种误差信号观测器对原有跟踪误差进行近似,以避免由于跟踪误差直接求导所引起的控制器表达式的复杂化现象;推导得到一种新的误差动力学方程,通过引入一种光滑有界函数作为输入饱和条件的近似,以及一种Nussbaum型偶函数,设计了饱和动力学控制器;根据Lyapunov理论证明了该控制器能够使得自主水下航行器在控制输入饱和限制下,可以实现对任意光滑水平面航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差是全局最终一致有界的。仿真实验结果验证了该设计方法是有效的,且对于模型参数误差具有一定的鲁棒性。     

水中灵巧弹药在水平面内的路径跟踪控制

研究水中灵巧弹药在水平面内的路径跟踪控制问题,建立了水中灵巧弹药在水平面内的运动学和动力学模型。通过引入"到达角"的概念,基于李雅普诺夫稳定理论和反步法技术分别设计了运动学和动力学控制律,并证明了所设计的非线性反馈控制器能够使所要跟踪的参考路径的跟踪误差收敛到零。应用Matlab软件搭建了数学仿真系统,并对水中灵巧弹药指定参考路径进行了跟踪控制仿真。仿真结果表明,跟踪误差快速收敛到0 m,所设计的非线性反馈控制器能够使水中灵巧弹药沿着预定路径航行。     

高超声速飞行器输入受限反步控制

高超声速飞行器因其重要的战略地位已经成为各国争夺空天权所关注的焦点。控制系统设计是保证高超声速飞行器实用化的关键技术。针对吸气式高超声速飞行器，设计一种反步控制器。为增强反步控制器的鲁棒性，引入径向基神经网络对高超声速飞行器纵向非仿射动力学模型中的不确定函数进行在线逼近。为了解决输入受限带来的控制问题，构造一种新型辅助系统对跟踪误差和控制律进行补偿，实现在控制输入瞬时饱和情况下的稳定跟踪。最后，基于MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器反演控制

针对高超声速飞行器不确定模型,设计了一种基于跟踪微分器的反演控制器.引入跟踪微分器,在存在量测噪声的情况下,对弹道角和攻角进行有效重构.分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于反演的高度控制器,并利用跟踪微分器解决了"项数膨胀"问题.为了保证控制器对模型参数摄动的强鲁棒性,设计了一种新型干扰观测器.仿真结果表明,所设计控制器鲁棒性强,并可提供良好的跟踪效果.     

基于非对称模型的欠驱动无人海洋运载器轨迹跟踪控制

研究一类欠驱动无人海洋运载器（UMV）的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于非对称模型的积分反步控制方法。建立了非完全对称（左右对称、前后不对称）的欠驱动UMV水平面运动模型,考虑了系统阻尼系数矩阵和惯性系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题;通过设计虚拟状态和控制输入反馈变换,解决了UMV轨迹跟踪控制过程中存在的角速度持续激励问题,得到了直线轨迹和曲线轨迹通用的跟踪控制器;在轨迹跟踪控制器当中引入跟踪误差的积分项,提高了UMV系统的全局稳定收敛速度,基于Barbalat引理和Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。借助实验室半物理仿真平台进行仿真实验,与传统基于对称模型的控制算法对比,体现出了基于非对称模型的欠驱动UMV轨迹跟踪控制方法的优越性。     

基于复杂约束条件的欠驱动AUV三维路径规划

为解决欠驱动自主水下航行器（AUV）在复杂水域下的三维路径规划和避碰问题,结合欠驱动的运动特性与自身约束条件,提出一种改进的蚁群结合3次B样条曲线拟合的算法,模拟现实海域环境信息进行水下空间环境建模。针对传统蚁群算法规划出的全局路径转角大、曲折多所造成的欠驱动AUV舵轮使用寿命低的问题,采用垂直面安全域设置的方法,设计基于低崎岖度的适应度函数结合路径长度与平缓度的双边评价体系规划出全局路径。采用3次B样条曲线,基于原型值点及目标点速度矢量约束拟合出一条曲率连续、无碰撞的优化路径。仿真结果表明,在保证收敛速度和全局搜索能力的前提下,所规划的路径合理,满足欠驱动AUV运动条件。     

欠驱动水面无人艇鲁棒自适应位置跟踪控制

为解决考虑参数不确定的欠驱动水面无人艇(USV)在恒定海流干扰下水平面位置跟踪问题,提出一种欠驱动USV神经网络自适应位置跟踪控制策略。基于反步法设计了一种非线性控制器,采用动态面方法获取虚拟变量的导数,减小了虚拟变量直接求导的复杂性;针对欠驱动USV参数不确定问题,运用神经网络自适应方法对USV系统不确定函数进行逼近,克服了欠驱动USV参数不确定难题;设计一种指数收敛海流观测器,有效地估计了恒定海流速度。通过李雅普诺夫稳定性理论证明了该闭环控制系统的稳定性;同时仿真验证了该控制策略的有效性和鲁棒性。     

某型无人机三维空间航迹跟踪控制方法研究

研究某型无人机三维空间航迹跟踪问题,通过在理想航迹上选取一系列航迹点,将航迹跟踪问题转换为航迹点跟踪问题。建立了无人机的动力学模型,将无人机的速度坐标系对准航迹点所在的理想坐标系,使位置跟踪问题转化为姿态跟踪问题。推导了无人机的制导律,并利用滑模变结构控制理论和反步控制理论分别设计了姿态控制器和速度控制器,姿态控制器使飞行器的速度矢量方向对准航迹点所在的方向,然后利用速度控制器控制速度的大小使飞行器到达预定航迹点。对整个制导、控制系统进行了全系统仿真,仿真结果表明：所设计的控制器具有较高的跟踪精度,且具有较强的抗干扰能力。     

基于切换视线法的欠驱动无人艇鲁棒自适应路径跟踪控制

针对欠驱动无人艇（USV）的航路点路径跟踪问题,提出了一种鲁棒自适应控制方法。设计了一个新的切换型视线（LOS）法制导律,以引导USV始终以最佳LOS圆半径趋向期望路径。与传统制导律相比,切换型LOS法制导律具有运算负载小、收敛速度快的特点。考虑到USV模型的不确定性及环境干扰未知时变性,开发了一种复合神经网络控制器来增强系统鲁棒性。通过在网络输入中增加预测误差信息,以提高网络逼近精度。同时,引入最小学习参数思想优化网络结构,对神经网络的在线自适应参数进行压缩,以减轻网络计算负担,并借助李雅普诺夫理论对系统的稳定性进行了分析。通过对比仿真实验验证了所提出控制策略的有效性。     

无人艇非线性航迹鲁棒自适应跟踪控制

针对欠驱动水面无人艇（USV）的非线性航迹跟踪控制问题,提出一种基于单调3次埃尔米特样条插值（CHSI）和神经网络的鲁棒自适应控制方法。采用CHSI方法对航路点进行拟合,得到光滑的非线性期望航迹,解决了传统线性航迹容易使USV出现的摇摆、曲折问题;引入Serret-Frenet坐标系,并构建了自适应视线制导律,提高了收敛速度且减少了振荡;考虑USV模型的不确定性和环境干扰力影响,设计了简捷的鲁棒自适应神经网络控制器。稳定性分析结果证明了控制系统的收敛性;仿真实例验证了所提出的控制方法能够有效地改善USV航迹跟踪控制的精度和品质,并具有学习参数少、运算负载小的特点。     

基于参数估计的四旋翼无人机自适应鲁棒路径跟随控制器

为提高四旋翼无人机的路径跟随精度和飞行鲁棒性,提出一种基于参数估计的四旋翼无人机自适应鲁棒路径跟随控制器。该控制器能够自适应估计无人机模型中的陀螺效应因子和风阻系数,利用估计值补偿系统的控制输入,设计抗干扰项抵消外界环境的负面影响,提高了四旋翼无人机的路径跟随性能和抗干扰能力。建立四旋翼无人机的非线性力学模型,将无人机的路径跟随目标划分为姿态角目标和运动位置目标。利用反步滑模方法和自适应控制方法设计无人机的控制输入方程和估计值更新律。根据Lyapunov方法验证无人机姿态系统和运动位置系统的渐进稳定性。仿真实验和样机实验结果验证了所提控制器的有效性与优越性。     

动态面滑模控制在大型液压起竖系统中的应用研究

针对大型液压起竖系统中的非对称液压缸建模问题,对系统负载流量和负载压力进行了重新定义,推导建立了起竖系统的非线性模型。为克服系统非线性和不确定性对起竖过程控制的影响,引入滑模控制和动态面控制,提出采用一种基于动态面滑模的控制策略,并给出了控制律。仿真结果表明,与PID控制、一般滑模控制相比,该控制方法有较强的抗干扰能力和良好的跟踪性能,提高了起竖过程的鲁棒性和稳定性。     

控制受限的火箭炮位置伺服系统鲁棒自适应反步控制

针对火箭炮位置伺服系统运行过程中所存在的转动惯量和负载力矩变化大,输入控制 受限等各种不确定因素,提出了一种基于动态面滤波法的自适应鲁棒位置控制器。对于模型中的 不确定参数,采用投影算法进行有效估计,利用鲁棒滑模滤波器简化控制器的设计,引入一个辅助 分析系统来对控制输入限制的影响进行有效分析,同时将辅助分析系统与反步方法结合,通过对模 型的等价变换和选择适当的Lyapunov 函数,给出系统的自适应控制器的设计方法。仿真结果表 明,该方法保证了系统的响应速度和控制精度,对参数摄动及外界负载扰动具有较强的鲁棒性。