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.     

高超声速飞行器再入姿态改进自抗扰控制

针对高超声速飞行器在无动力再入过程中具有复杂非线性、控制通道间强耦合及气动参数不确定性,增加了控制器设计的困难.通过构造连续光滑扩张状态观测器及自抗扰解耦控制技术,设计了高超声速飞行器自抗扰姿态控制器.采用构造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.通过自抗扰解耦控制技术设计了姿态角及姿态角速度联合控制器,无需基于奇异摄动理论分为内外环控制,解决了设计飞行器内外环控制器时需忽略内环对外环的耦合影响问题,并且解决了难于获取精确的飞行器被控模型及精确的气动参数、摄动界限等问题.仿真结果表明了改进方法的有效性.     

高超声速飞行器最优PIF-LQR控制器设计

以一类通用高超声速飞行器的非线性纵向模型为研究对象,对其线性化后,应用LQR理论设计了一种多输人多输出的最优控制器.通过引入比例积分滤波器(PIF),有效地抑制模型参数变化所引起的扰动,实现飞行器对速度和高度变化指令精确跟踪.将所设计控制器应用于具有不确定参数的高超声速飞行器扰动模型,通过仿真对控制器的鲁棒性进行评估.仿真结果表明,尽管存在参数不确定性,所设计控制器能够满足高超声速飞行器在复杂飞行条件下的控制要求,具有较强的鲁棒性.     

基于sigmoid函数的高超声速飞行器自适应姿态控制

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,提出了飞行器姿态控制的一种非线性设计方法。首先基于时标分离原理分内外环设计非线性动态逆控制器,并利用Sigmoid函数分通道制定控制律。针对单纯使用动态逆控制鲁棒性弱的特点,引入基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的自适应控制器对参数摄动和不确定性进行补偿,在参数拉偏和风干扰条件下仿真结果验证了设计控制器具有较强的鲁棒性。     

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.     

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.     

高超声速飞行器基于Back-stepping的离散控制器设计

根据高超声速飞行器纵向模型的特点,提出了基于Back-stepping的离散控制器设计方法.首先通过合理的简化,将飞行器的模型转化为连续非线性系统的严格反馈形式;然后采用欧拉法得到其近似的离散模型,根据近似离散模型并结合Back-stepping和反馈线性化方法,设计了高超声速飞行器的离散控制器.利用高超声速飞行器的纵向模型对算法进行仿真验证,得到了较为满意的控制效果.     

高超声速飞行器鲁棒自动驾驶仪设计研究

针对高超声速飞行器姿态控制问题,设计了具有鲁棒特性的自动驾驶仪;针对带有耦合特性的面对称外形高超声速飞行器的动力学模型,在存在气动参数摄动的情形下,基于数值有界不确定性描述形式,利用鲁棒控制理论和线性矩阵不等式(LMl)求解方法,设计了三通道鲁棒的自动驾驶仪控制器;最后仿真结果表明,所设计的三通道自动驾驶仪使得高超声速飞行器获得理想的动态性能和稳态品质,并对气动参数和通道间的耦合不确定性具有较强的鲁棒性.     

高超声速飞行器姿态的变结构控制

针对高超声速飞行器运行环境中气动参数大范围变化可能导致失稳现象,构建高超声速飞行器姿态的滑模变结构控制器。通过多时间尺度理论将飞行器姿态控制系统分为内外双闭环子系统,分别为内外环设计滑模姿态控制律,保证控制系统对气动参数变化不敏感,能稳定准确地跟踪期望姿态角指令。仿真结果表明所提滑模变结构姿态控制算法性能良好,对气动参数变化有一定的鲁棒性。     

基于Terminal 滑模的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器六自由度再入模型,考虑模型参数不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,基于Terminal滑模对再入过程中姿态角的跟踪控制问题进行研究.为了减少外界高频噪声对系统性能的影响,首先,利用多时间尺度技术将姿态模型划分为双环结构;然后,分别针对各环路设计Terminal滑模控制器,并通过Lyapunov理论和奇异摄动理论对系统的稳定性进行证明.仿真结果表明,对于六自由度再入模型,该控制方法能够很好地跟踪再入制导指令.     

高超飞行器的再入非线性鲁棒控制

针对再入段高超飞行器非线性动力学模型存在不确定性和干扰,基于奇异摄动理论提出了鲁棒变结构+动态逆内外环解耦控制方法.为避免在线实时求逆,控制系统的外环基于简化的模型设计自适应滑模变结构控制律,通过反馈干扰观测器在线估计广义干扰量,实现角度的跟踪和闭环系统的稳定,抑止外来干扰.强耦合的姿态动力学内环采用动态逆跟踪角速度指...     

高超音速飞行器鲁棒控制研究

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动态逆控制;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目标函数,并通过遗传算法最优化系统设计参数,该控制方案将动态逆控制的非线性解耦控制能力与随机鲁棒设计的强鲁棒性结合,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。     

基于变结构理论的高超音速飞机纵向逆飞行控制

针对高超音速飞机模型的高度非线性、强耦合、参数不确定等特点，提出了基于变结构理论的动态逆控制方法．该方法将逆控制的非线性解耦能力与变结构理论的强鲁棒性能有机结合，确保了高超音速飞机飞行的纵向稳定性，改善了其控制性能．仿真研究表明该控制方法对于高超音速飞机是可行的．     

Adaptive restricted trajectory tracking for a non-minimum phase hypersonic vehicle model

The design of a nonlinear robust controller for a non-minimum phase model of an air-breathing hypersonic vehicle is presented in this work. When flight-path angle is selected as a regulated output and the elevator is the only control surface available for the pitch dynamics, longitudinal models of the rigid-body dynamics of air-breathing hypersonic vehicles exhibit unstable zero-dynamics that prevent the applicability of standard inversion methods for control design. The approach proposed in this paper uses a combination of small-gain arguments and adaptive control techniques for the design of a state-feedback controller that achieves asymptotic tracking of a family of velocity and flight-path angle reference trajectories belonging to a given class of vehicle maneuvers, in spite of model uncertainties. The method reposes upon a suitable redefinition of the internal dynamics of a control-oriented model of the vehicle dynamics, and uses a time-scale separation between the controlled variables to manage the peaking phenomenon occurring in the system. Simulation results on a full nonlinear vehicle model that includes structural flexibility illustrate the effectiveness of the methodology.     

机动再入飞行器自适应自动驾驶仪设计

解决了机动再入飞行器在气动系数变化范围大和气动耦合严重等恶劣条件下的姿态和过载控制问题. 为了能充分利用飞行器可测量信息提高系统自适应能力, 提出了滚动通道状态方程参数辨识—级点配置—前馈补偿自适应控制和横向通道基于攻角反馈以过载为主控信号的变参数自适应控制的自动驾驶仪设计方法. 通过对某飞行器的制导控制系统仿真, 可以看出该自动驾驶仪使飞行器有很好的飞行性能.     

高超音速BTT巡航飞行器变结构控制系统设计

针对高超音速BTT巡航飞行器气动参数变化大,动力学特性具有气动、惯性交叉耦合和运动学耦合的特点,采用了基于反馈线性化和变结构理论的控制器设计方法.首先利用时间尺度理论将控制系统分为快变量和慢变量两个子系统,然后应用动态逆反馈分别对子系统进行线性化解耦,最后根据线性变结构理论单独设计各通道控制器.仿真结果显示基于方法设计的姿态控制器可以确保对指令跟踪的精确性和鲁棒性,姿态指令跟踪无静差,响应超调量小于10%.     

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。     

DESIGN OF A FLIGHT CONTROLLER FOR HYPERSONIC FLIGHT EXPERIMENT VEHICLE

National Aerospace Laboratory (NAL) and National Space Development Agency (NASDA) of Japan launched a hypersonic flight experiment vehicle (HYFLEX) for flight experiment of reentry phase to the top of the atmosphere in 1996. Flight condition in the experiment varied from an altitude of 107km and a speed of Mach 15 to an altitude of 30km and a speed of Mach 2. This paper describes design of a flight control system of the HYFLEX and evaluation of robustness against variations of command inputs and aerodynamic coefficients. A nonlinear simulation model that describes the vehicle motion has been made using the data obtained from wind tunnel experiments by NAL and NASDA. Linear models are computed from the nonlinear model for every second of the flight, assuming that the flight is a quasi‐trimmed one. Because the vehicle has a cylinder‐like configuration and takes a large angle of attack and a bank angle, coupling between longitudinal and lateral‐directional motions cannot be neglected; hence, the linear models include coupling terms. Averaging the linear models yields a nominal model for controller design, where the type‐1 linear quadratic (LQ) servo controller is employed for attitude control. Since the flight condition varies so much, it is difficult to control the vehicle using a single set of control gains. Therefore the flight period is segmented into eight intervals, for each of which a nominal linear model is computed, and then eight sets of feedback gain matrices are computed and scheduled as a function of flight time. The effectiveness and robustness of the flight control system are examined through computer simulation. Simulation results indicate that the control system works well even when attitude commands and aerodynamic parameters considerably deviate from nominal ones.