高超声速飞行器改进自抗扰串级解耦控制器设计

针对高超声速飞行器无动力再入过程中具有强耦合、气动参数摄动及不确定性的非线性姿态模型,通过构造连续光滑扩张状态观测器及自抗扰串级解耦控制技术,设计了便于工程实际应用的高超声速飞行器自抗扰姿态控制器．通过构造qin函数实现了连续光滑扩展状态观测器的设计,可避免自抗扰控制器应用过程中的高频颤振现象．通过自抗扰串级耦合控制技...     

基于ESO的高超声速飞行器非线性动态逆控制

以高超声速飞行器(HFV)纵向运动模型为研究对象,针对其巡航飞行中存在的参数不确定性和外界干扰问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的非线性动态逆(NDI)控制方法。采用精确反馈线性化方法实现了HFV速度与高度通道的解耦,并设计了动态逆控制器;在此基础上为系统的速度和高度通道设计了二阶ESO,实现对等效扰动的精确估计,并在控制器中进行补偿,从而实现HFV对高度和速度指令的精确跟踪,保证控制精度的同时大幅提升了系统的扰动抑制能力。仿真结果表明,相比于滑模控制,文中所设计方法具有更快的响应速度和更好的跟踪精度,体现出该方法的良好控制性能和较强的鲁棒性。     

具有模型参数不确定性的高超声速飞行器动态特性分析及控制律设计

大范围机动、质量分布快速变化、气动特性复杂,以及飞行器结构、气动、推力的相互耦合,使得高超声速飞行器动力学呈现出强不确定性,给其动态特性分析和控制器设计提出了挑战。文章针对高超声速飞行器模型参数不确定性问题,首先分析各种可能造成模型不确定性因素的物理本质,确定其主要影响因素;在此基础上建立了能够反映这些主要影响因素带来的具有参数不确定性问题的动力学模型;并分析每一个单独不确定性参数变化对飞行器特征根分布的影响;在考虑高超声速飞行器参数不确定性的情况下,针对刚体-弹性体模型,采用修正的反馈线性化方法设计控制律。研究结果对高超声速飞行器的动力学特性分析、总体设计、控制系统设计、准确度分析等提供具有重要参考价值的依据。     

基于扩张状态观测器的机械臂滑模控制

为了解决机械臂在外部干扰和自身参数不确定性情况下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于扩张状态观测器（ESO）的机械臂滑模控制方法.针对干扰信号,设计扩张状态观测器对系统的总扰动进行估计;将估计出的扰动值引入基于机械臂动力学方程设计出的滑模控制律中,完成了对机械臂轨迹跟踪控制方法的设计;最后,利用Lyapunov函数验证了系统的稳定性.仿真结果表明：基于扩张状态观测器的机械臂滑模控制可以克服外部扰动和自身参数的不确定性,使系统具有较好的鲁棒性,控制机械臂能较好地跟踪给定轨迹.     

可规定性能的输入受限非线性系统反步控制

针对具有不可直接测量状态和控制方向未知的输入受限非线性系统的跟踪问题,提出一种基于模糊状态观测器的反步控制方法.首先采用模糊状态观测器估计被控系统中的不可测量状态;然后利用具有光滑特性的双曲正切函数和Nussbaum增益函数对控制器的饱和问题进行处理,根据可规定误差面性能技术对输出跟踪误差的边界进行限定;最后将反步法和动态面法相结合设计鲁棒控制器.运用Lyapunov理论对系统的稳定性能进行了分析,证明闭环系统的所有信号最终半全局一致有界.以具有参数不确定性和存在外界未知有界干扰的高超声速飞行器纵向运动为仿真模型,仿真结果验证了所提算法的有效性.     

非线性系统的动态面自抗扰控制器设计及应用

针对一类具有严格反馈形式的非线性系统的控制问题,本文将动态面控制技术和自抗扰控制技术相结合,提出了动态面自抗扰控制算法。控制器包括三个功能:利用跟踪微分器给出期望信号以及其一阶导;利用扩张状态观测器估计外界扰动;扰动补偿。该控制器有效避免了传统反步法中出现的"微分爆炸"现象,并避免了控制器设计对系统数学模型的精确要求。依据李亚普洛夫稳定性理论进行控制器设计,并对扩张状态观测器和动态面部分进行了稳定性分析。通过水下无人航行器模型仿真,仿真结果表明:航迹误差在(-4,4)范围内,验证了该控制算法的有效性。     

非匹配不确定的弹性高超声速飞行器终端滑模控制

为解决带有非匹配不确定的弹性高超声速飞行器(FHV)鲁棒跟踪控制问题,设计一种基于有限时间干扰观测器的非奇异终端滑模控制器.首先,通过将弹性模态的影响视为不确定,与系统参数不确定一起处理为综合不确定,将带有弹性的高超声速飞行器模型简化为便于控制器设计的面向控制模型;其次,设计有限时间干扰观测器估计模型的综合不确定;进而,基于干扰观测器,设计一种新型的非奇异终端滑模面,将高阶不匹配问题转化成一阶匹配问题,进行控制器的设计;最后通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:所设计的控制器可以有效抑制非匹配不确定及弹性的影响,实现了飞行器速度与高度的稳定跟踪控制.     

考虑动压限制的高超声速飞行器控制系统设计

针对高超声速飞行器超燃冲压发动机的进气道对飞行动压有比较苛刻的要求,提出一种直接进行动压反馈的高超声速飞行器控制系统设计方法。首先,建立了高超声速飞行器动压反馈控制的动力学模型,并推导了动压控制的状态方程。然后,利用线性二次型最优控制方法,通过引入动压误差进行控制对象增广,从而在动压控制回路中引入积分控制,以消除动压跟踪误差,给出了高超声速飞行器动压控制的控制系统结构。最后,通过仿真验证了动压控制器具有很好的跟踪性能,考虑存在气动、推力不确定性因素,飞行器速度出现偏差时,动压控制系统可以自适应地调整飞行高度以保证对动压指令的跟踪,控制系统具有很好的鲁棒性。     

高超声速飞行器有限时间LPV滑模控制器设计

高超声速飞行器在机动飞行时易受到外界扰动,若采用传统的状态反馈控制方法,闭环控制系统极易引起振荡,无法满足机动飞行指令信号跟踪的精度要求;若采用传统的滑模控制方法,由于系统存在奇异值的问题,且计算过程较为复杂,控制系统不易于实现.针对上述问题,考虑高速机动飞行控制实际要求,提出了一种基于有限时间时变滑模的线性变参数(LPV)控制器设计方法并应用于高超声速飞行控制.首先不考虑外界扰动,通过传统的状态反馈控制方法使系统保持稳定.然后,在扰动存在的情况下,通过选取一个特殊的滑动函数,设计有限时间时变滑模控制律.为减小系统的抖振现象,引入饱和函数来替换控制律中的符号函数.经理论推导证明了闭环系统中的所有信号都是有界的,并且可以在预定的时间内将跟踪误差控制在零点的一个很小的邻域范围内.仿真验证结果表明,高超声速飞行器机动飞行条件下的状态量可在有限时间内稳定跟踪参考指令信号,且有效地抑制了闭环系统的振荡现象,验证了本方法所设计控制器的有效性.     

基于动态逆控制的高超声速飞行器飞/发一体化控制方法研究

为了减小高超声速飞行器飞/发耦合效应对自身的影响，开展了高超声速飞行器飞/发一体化控制研究。建立面向控制的高超声速飞行器飞/发一体化数学模型。分别采用非线性动态逆控制与增量非线性动态逆控制方法，设计了姿态慢变外回路、角速率快变内回路控制算法。基于包含高超声速飞行器飞/发耦合特性的在线本体模型，以操纵交联的形式设计了高超声速飞行器姿态与发动机的耦合控制方案。在非线性动态逆控制器中引入参考模型、误差控制、在线估计等模块，保证了高超声速飞行器的飞行品质和鲁棒性要求。仿真实验结果表明，采用了非线性动态逆控制设计的飞/发耦合控制方案达到了预期的控制性能。     

应用分数阶控制器的飞行器精细姿态控制研究

针对某升力体高超声速飞行器在超燃冲压发动机工作前后的姿态控制问题,分析了发动机进气道关闭、打开和发动机点火3种状态下的机体气动特性。建立了典型的升力体高超声速飞行器的数学模型。采用分数阶控制器的结构和参数配置方法,设计了飞行器的法向过载控制器。控制器内回路采用极点配置法以改善控制系统的动态特性;外回路采用分数阶控制器来配置控制参数以满足飞行器高精度的姿态控制要求。仿真结果表明3种状态下升力体高超声速飞行器机体姿态均控制在平衡位置的±1°动态范围内。     

基于扩张状态观测器的火电单元机组协调控制

扩张状态观测器不依赖对象精确模型, 可将火电单元机组协调系统中普遍存在的耦合、扰动、不确定性等因素看做一个扩张状态进行估计. 设计控制率对该估计量进行补偿, 可有效改善系统动态, 提高系统性能鲁棒性. 以某300MW燃煤直流炉再热机组为被控对象进行仿真研究. 根据实际控制要求, 进行设定值跟踪实验, 输入扰动实验和蒙特卡洛实验. 结果表明, 合理选择扩张状态观测器参数, 可以使机炉协调系统具有较好的负荷跟踪能力, 保证主汽压力在较小范围内波动; 同时能有效抑制输入扰动并使系统具有强的鲁棒性. 基于扩张状态观测器的协调控制策略结构简单, 获得了良好的控制品质, 具有工程应用价值.     

高超声速飞行器快速平滑自适应二阶滑模控制

为解决高超声速飞行器在爬升的过程中存在严重匹配/非匹配不确定性的问题,提出了一种新型的自适应超螺旋滑模控制方法以抑制爬升段存在的匹配不确定性,并将该方法与滑模微分器相结合,以解决爬升段存在的非匹配不确定性.首先用滑模微分器估计反馈线性化模型中速度和高度的各阶导数,以缩小反馈线性化模型与原模型的差距;其次在传统超螺旋滑模的基础上,加入线性项以提高收敛速度;将积分项中不连续的符号函数连续化,保证控制输入的平滑性,更大程度削弱抖振;针对未知上界复合干扰,设计了一种自适应参数可增大可减小的自适应律,保证参数既不过大估计,又可放宽初值的选取,保证收敛速度. 仿真结果表明:改进后的控制方法可实现状态量在有限时间内跟踪上指令信号,完成控制要求;且相较于传统超螺旋滑模控制算法,改进的控制方法控制输入更加平滑,收敛速度更快,从而验证了该方法的有效性以及先进性.     

基于扰动预测的高超声速飞行器高精度姿态控制器设计

提供了一种在高超声速飞行器姿态运动数学模型具有强耦合、不确定性以及非线性的特点的情况下,依然能够实现对其姿态运动进行高精度控制的控制器设计方法。该方法首先采用预测滤波器对系统的不确定性进行估计和补偿,通过对系统的不确定性进行补偿,大大减小了模型误差,提高了控制精度;其次在此基础上采用反馈线性化的方法对补偿后的系统进行解耦,并对解耦后的系统设计变结构控制器。通过仿真表明文中所设计的方法确实能够实现高超声速飞行器的高精度姿态控制。     

基于扩张状态观测器的电力系统混沌滑模控制

针对电力系统遭受较大周期性扰动时出现的混沌现象,提出了一种基于扩张状态观测器的滑模控制方法。设计扩张状态观测器观测系统的状态变量,通过定义扩张状态变量将外部扰动近似为1个已知量,简化滑模控制器的设计过程,实现系统的快速收敛。并采用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明:该控制方法能够有效地控制电力系统混沌振荡,并缩短受控系统的收敛时间。     

基于状态反馈精确线性化Buck变换器的微分平坦控制

针对Buck变换器由于输入电压和输出电流等外部扰动及电路参数摄动等不确定因素引起系统输出电压变化的问题,提出一种基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法。根据状态空间平均方程建立了变换器的仿射非线性模型,通过坐标变换推导出状态反馈控制率。在状态反馈精确线性化模型基础上,设计了微分平坦控制器,同时将扰动观测器嵌入控制器中,进一步提高了系统对电路参数摄动和外部扰动等内外干扰的处理能力。最后应用灵敏度理论分析了变换器的稳定性,可知减小电感量、增大电容值有利于提高系统的稳定性。实验结果表明,与传统PI控制方法相比,本文所提控制方法对输入电压和输出电流扰动具有更强鲁棒性,输出电压纹波更小,且系统响应速度能提升近50%。本文研究对DC-DC变换器控制器的设计具有参考意义。     

VSC-HVDC输电系统的模糊自抗扰控制

电压源型换流器高压直流输电系统是一类非线性、多变量和强耦合的系统。考虑系统中存在的不确定性以及扰动等问题,首先建立电压源型换流器高压直流输电系统的数学暂态模型,并在此基础上设计双闭环结构的控制器。在内环控制中设计模糊自抗扰控制器,实现对直轴和交轴电流的解耦。设计扩张状态观测器环节估计系统不确定性及扰动并进行补偿,使得系统的鲁棒性和抗干扰性能力得到提高,同时设计模糊规则对扩张状态观测器参数进行整定。外环控制中采用PI控制器,能够实现有功功率和无功功率的独立调节功能。仿真结果验证了所提方法的有效性和优越性。     

一种高超声速飞行器攻击意图预测方法

针对高超声速飞行器具有高机动性难以对其飞行轨迹进行预测的问题,提出一种基于高超声速目标运动特性的攻击意图预测方法。首先分析了高超声速飞行器的3种运动特性:飞行器运动状态的马尔可夫过程模型、航迹偏航角和可达区域; 然后采用动态贝叶斯网络的推理方法对高超声速飞行器与攻击目标之间的攻击关系进行推理,以实现攻击意图预测; 最后进行了仿真实验。实验结果表明, 基于运动特性的动态贝叶斯网络能够对攻击意图进行预测,提出的意图预测方法具有良好的实时性和有效性。     

Hamilton系统的鲁棒自适应控制及在航天器中的应用

针对带有参数不确定性和受外干扰影响的多输入多输出Hamilton系统的跟踪控制问题,提出一种基于动态逆和扩张状态观测器的鲁棒自适应控制方法,保证系统具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。首先,针对标称模型设计了基于动态逆方法的控制器,然后采用基于投影算子的自适应律和扩张状态观测器,分别对系统中的不确定参数和外干扰进行估计和补偿,同时,采取动态补偿器降低执行器饱和对控制性能的影响。最后,将控制方案应用于航天器姿态控制系统中,仿真实验结果表明了方法的有效性。     

高超声速飞行器机动飞行受限控制方法研究

吸气式高超声速飞行器飞行过程中舵偏不能过大,攻角、角速率等飞行状态必须满足约束,这既是超燃冲压发动机工作条件的要求,也是为了减小飞行器状态散布。针对吸气式高超声速飞行器进行高度控制时,飞行器状态和舵偏必须满足约束的实际问题,引入指令调节器进行高度回路设计。基于PI+LQ方法设计过载控制器,利用高度回路的比例-微分产生过载信号,过载信号经过指令调节器生成调节指令,过载控制器跟踪该指令完成高度跟踪。仿真结果表明,该方法设计的控制系统在阵风干扰情况下能够满足状态约束并实现快速跟踪。