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。     

基于神经网络补偿的高超声速飞行器滑模控制

针对吸气式高超声速飞行器的轨迹控制问题,提出了一种基于自适应径向基函数(RBF)神经网络的滑模控制方法.建立了高超声速飞行器的纵向动态模型;设计了滑模控制器,利用自适应RBF神经网络对系统不确定项进行在线逼近,对滑模控制器进行补偿;基于李雅普诺夫的稳定性分析证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:控制系统能够实现对于高超声速飞行器给定指令的有效跟踪.     

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.     

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.     

一类高超声速飞行器自适应容错控制器设计

高超声速飞行器控制系统具有非常突出的强耦合、强非线性、时变的力学特性,在其研究与设计过程中,需要处理高速飞行带来的弹性形变、多输入多输出、气动参数不确定以及高温高热等原因导致的各种传感器故障和部分作动器故障等一系列问题,因此该类飞行器控制系统的研究与设计面临着传统飞行器控制系统研究所未有的困难和挑战.针对高超声速飞行器飞行过程中遇到的部分作动器故障问题,本文提出了非线性观测器与控制器一体化设计的高超声速飞行器自适应反演容错控制方法.首先将飞行器作动器故障模型转换为一类状态不能完全测量,且具有未知参数和未知控制增益的SISO输出反馈非线性最小相位系统,然后,基于改进的K-滤波器理论对状态向量进行重构,在系统只有输出可以测量的情况下,设计了一种新型观测器,确定出收敛的状态向量,设计出强自适应能力的控制器,保证了系统所有信号的有界性.在自适应反演设计时,采用动态面设计方法,引入一阶滤波器,得到虚拟控制量的微分,消除传统反演设计中的"项数膨胀"问题,用Lyapunov稳定性定理保证误差一致有界.仿真实验验证了该算法的有效性.最后以高超声速飞行器纵向通道为例,验证了上述理论.     

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.     

高超声速飞行器应用保护映射的大包线控制律

针对高超声速飞行器模型具有高度非线性和易变的动态特性,应用保护映射理论提出了一种高超声速飞行器大包线控制律设计方法.首先,结合间隙度量理论建立高超声速飞行器线性变参数(linear parameter-varying,LPV)模型,然后设计控制器结构并计算初始点的控制器参数,并根据保护映射理论分析初始控制器使闭环系统稳定的参数区间,通过迭代运算自适应地获得满足性能要求的控制器参数集合.仿真结果表明,建立的LPV模型具有良好的精确度;所设计的大包线控制律能够满足高超声速飞行器的性能要求,并且保证系统在飞行域内全局稳定.     

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。     

基于多变量特征模型的黄金分割自适应控制系统稳定性分析

主要研究了基于多变量特征模型的黄金分割自适应控制器的闭环系统稳定性.对从特定区间取值的双输入输出特征模型,通过计算离散系统的矩阵导出1范数,一个充分条件被用来证明闭环系统是指数稳定的.结果不仅表现了系统稳定性,还同时给出了一个黄金分割自适应控制器中可调参数数值的选取方法.最后对中继星的数学仿真验证了系统的稳定性.     

Characteristic model based adaptive controller design and analysis for a class of SISO systems一类SISO系统基于特征模型的极点配置自适应控制设计与分析

The design of an adaptive controller and stability analysis of the corresponding closed loop system are discussed for a class of SISO systems based on the characteristic model method. The obtained characteristic model is a second-order slow time-varying linear system with a compress mapping function for the system modeling error. The pole placement method is used to design the controller, and sufficient conditions for the stability of the closed loop system are obtained based on the robust control theory of slow time-varying systems with perturbations. The effectiveness of the proposed method is illustrated by two numerical examples.     

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。     

采用还原方法的不确定关联时滞系统的鲁棒分散镇定

针对一类具有多输入时滞项及互联时滞项的不确定关联系统，提出了系统可鲁棒分散镇定的充分条件，即一组线性矩阵不等式(LMI)有解．系统的不确定性是未知时变且范数有界的，基于还原方法及LMI技术给出系统设计状态反馈分散控制器的方法．该控制器保证闭环系统全局渐近稳定，且设计简单，计算量小，易于工程实现．最后通过仿真例子说明了该方法的有效性．     

基于非线性L1自适应动态逆的飞行器姿态角控制

钊对常规动态逆控制器不能有效抵消系统中的不确定性这一缺点,提出了一种非线性L_1自适应动态逆控制方法.该方法能够克服常规动态逆的不足,在保证系统鲁棒性的前提下,提升飞行器姿态角控制效果.首先,采用时标分离原理,将姿态角控制系统分为内外两个回路:外回路采用常规动态逆控制器,用于姿态角的跟踪控制;内回路采用非线性L_1自适应控制器,用于角速率的控制.其中,L_1自适应控制器由静态反馈控制器和自适应控制器组成:静态反馈控制器通过状态反馈实现,用于保证内回路的稳定和具有期望的闭环特性;自适应控制器由状态观测器、自适应律和控制律组成,用于抵消系统中的不确定性.其次,对所提控制方法的稳定性进行了分析,结果证明了该控制方法能够保证内回路的稳定和外回路的误差有界.最后,在综合考虑多种不确定性的情况下,将本文提出的非线性L_1自适应动态逆控制方法用于某无人飞行器姿态角控制,仿真结果验证了该控制方法的有效性和鲁棒性.     

An Improved Parameterized Controller Reduction Technique via New Frequency Weighted Model Reduction Formulation

In this paper, an improved parameterized controller reduction technique via a new frequency weighted model reduction formulation is developed for the feedback control of MIMO discrete time systems particularly for non‐unity feedback control system configurations which have the controller located in the feedback path. New frequency weights which are a function of a free parameter matrix are derived based on a set of equivalent block diagrams and this leads to a generalized double sided frequency weighted model reduction formulation. Solving this generalized double sided frequency weighted model reduction problem for various values of the free parameter results in obtaining controllers which correspond to each value of the free parameter. It is shown that the proposed formulation has a useful characteristic such that selecting a controller which corresponds to a large value of the free parameter results in obtaining an optimal reduced order controller and using this optimal reduced order controller in a closed loop system results in significant reduction in the infinity norm of the approximation error between the original closed loop system and the closed loop system which uses an optimal reduced order controller (when compared to existing frequency weighted model reduction methods).     

Dynamic Surface Control of Constrained Hypersonic Flight Models with Parameter Estimation and Actuator Compensation

In this paper, the robust adaptive controller is investigated for the longitudinal dynamics of a generic hypersonic flight vehicle. The proposed methodology addresses the issue of controller design and stability analysis with respect to parametric model uncertainty and input saturations for the control‐oriented model. The velocity and attitude subsystems are transformed into the linearly parameterized form. Based on the parameter projection estimation, the dynamic inverse control is proposed via the back‐stepping scheme. In order to avoid the problem of “explosion of complexity,” by introducing a first‐order filtering of the synthetic input at each step, the dynamic surface control is designed. The closed‐loop system achieves uniform ultimately bounded stability. The compensation design is employed when the input saturations occur. Simulation results show that the proposed approach achieves good tracking performance.     

Attitude Controller for Steady Hover of a Rotary-Wing Flying Robot

This paper presents an attitude controller for steady hover of CMERI’s Rotary-Wing Flying Robot. The main objective is to control the dynamic behaviour of the robot, which is complex in shape and motion as nonlinear aerodynamic forces and gravity acts on the system. Due to limited accuracy of the dynamic model, the attitude dynamics is conditionally stable where a minimum amount of attitude feedback is required for system stability. To compensate for conditional stability with improved disturbance rejection, an attitude controller is developed adopting cascade control loop architecture. The INS system feedback is used for outer control loop while the gyro feedback is adopted for the inner control loop to attain a high bandwidth, ensuring attitude stability with accelerated response required for a steady hover. The defined controller has introduced corrective control to mitigate the disturbance as sensed by the gyros before they actually do affect the output as the cascade control loop is more responsive than simply the INS loop feedback. In the proposed approach, the robot is modelled using well known “NASA Minimum Complexity Math Model” where robot dynamics is decoupled into Single Input Single Output system. Kalman filter is used to estimate the attitude from the high frequency based gyros aided by INS system feedback data while a matched pole-zero method is used to perform discretization. The stability of the system is evaluated using closed loop identification. The provided solution is tested on Hirobo Scheadu50 model and the system performance is analyzed using the proposed controller.