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.     

基于多环QFT的高超声速飞行器鲁棒控制

阐述了定量反馈理论(QFT)的基本原理和设计方法,针对超燃冲压发动机不同工作状态时高超声速飞行器不确定性模型,应用多环QFT设计了高超声速飞行器纵向飞行控制系统;仿真结果表明,运用QFT方法设计的控制系统不仅具有良好的跟踪性能和抗干扰性能,而且能够很好地解决飞行控制系统由于模型参数具有不确定性而造成的控制系统鲁棒性设计问题,并从工程应用角度为高超飞行器纵向飞行控制系统提供了一种鲁棒控制设计方案。     

基于QFT+DI的高超声速飞行器控制研究

在高超声速飞行器控制研究中,大空域大马赫数飞行造成的强耦合、高度非线性,影响控制系统的稳定性.为解决上述问题,在传统定量反馈控制理论的基础上,提出定量反馈和动态逆相结合的鲁棒控制方法,对高超声速飞行器纵向模态进行控制器设计.利用动态逆对系统非线性模型进行反馈线性化,将得到的线性模型作为控制的内环和定量反馈设计模板,设计外环系统的控制器和前置滤波器.通过计算机对设计的控制器进行仿真验证,结果表明,控制设计方法具有较好的控制效果,且比传统的设计方法在高频段具有更好的噪声抑制能力.     

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.     

弹性体高超声速飞行器自适应控制器设计

研究控制器优化设计问题,为能使飞行控制系统精确跟踪控制指令,并抑制住机体的结构弹性振动,研究了一种带自适应结构滤波器的LQR积分控制器.其中,LQR积分状态反馈控制器用来跟踪飞行速度与航迹倾角指令,结构滤波器用来抑制弹性模态.由于在高超声速飞行过程中结构的振动频率与阻尼比是随时间变化的,造成弹性振动偏差大.为此设计了一种鲁棒估计器来在线辨识弹性模态,并将辨识的结构自然频率作为结构滤波器的中心频率.通过在吸气式高超声速飞行器纵向非线性模型上进行仿真验证,结果显示控制方法能很好地满足跟踪指令与结构弹性抑制的要求.     

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.     

高超声速飞行器最优PI-Hinf控制器设计

研究高超音速控制器优化问题,由于控制系统存在较强鲁棒性和非线性,用传统方法寻优计算量大,影响实时控制.为解决上述问题,采用最优比例积分H无穷(PI-Hinf)二环控制方法对高速飞行器构型的输入/输出线性化模型进行了控制器设计.控制方法能有效地抑制模型参数不确定性带来的扰动并使系统达到很好的静态性能.对模型进行仿真,结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性,可以满足飞行器在复杂条件下飞行的控制要求,达到0误差的跟踪精度,为设计提供了依据.     

基于QFT和ZPETC的高精度鲁棒跟踪控制器设计

阐述了定量反馈理论(QFT)和零相差跟踪控制器(ZOETC)的基本原理及设计方法,并给出了设计实例。在QFT和ZPETC的基础上,提出了一种是实现高精度鲁棒跟踪控制的方案,采用QFT控制保证系统的鲁棒性,通过ZPETC提高系统的跟踪精度。仿真表明,这种方法实现了QFT和ZPETC的完美结合,很适合高精度跟踪系统的鲁棒控制。     

基于预测控制的高超声速飞行器容错控制器设计

针对存在升降舵面偏转角卡死故障的高超声速飞行器,提出一种基于预测控制的容错控制器设计方法.利用输入输出反馈线性化,对高超声速飞行器纵向模型进行变换;对于速度和高度的高阶导数以及故障项,设计扩张状态观测器在线观测;采用泰勒展开得到预测模型,建立连续预测控制器,分析证明闭环控制系统的稳定性和观测误差的有界性.仿真结果验证了所提方法的有效性.     

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.     

A Novel Robust Flight Controller Design for an Air-Breathing Hypersonic Vehicle

A novel robust flight control design method is proposed for a generic air-breathing hypersonic vehicle based on a state-dependent Riccati equation technique and a nonlinear disturbance observer. The highly nonlinear dynamics of the hypersonic vehicle are firstly brought to a linear structure having a state-dependent coefficient form. And then a state-dependent Riccati equation is solved at each sampling moment to obtain a nonlinear feedback optimal control law. In order to enhance robustness of the closed-loop system, a nonlinear disturbance observer is introduced to estimate the uncertainty caused by parametric variations and external disturbances. The resulting composite controller achieves not only promising robustness and disturbance rejection performance but also flexible adjustment in the response time. Compared to a Kriging controller, the proposed controller has great advantages in the system response time and robustness. The feasibility of the proposed method is validated by simulation results.     

基于LMI的高超鲁棒控制及仿真

研究了高超声速飞行器鲁棒飞行控制器设计以及飞行控制系统的仿真验证问题,通过选择适当的加权函数矩阵,确定广义受控对象.线性矩阵不等式(LMI)技术是控制领域中研究问题的有效工具,控制器的分析与综合等问题可转化为LMI问题的求解,采用基于线性矩阵不等式的H∞控制器设计方法,设计了鲁棒控制器.仿真结果表明所设计的飞行控制系统具有鲁棒性,能有效地抗飞行过程中存在各种各样的干扰及摄动,很好地满足了飞行控制系统性能指标.     

基于CMAC网络的飞行器再入标准轨道制导

针对飞行器再入标准轨道制导方法中的参考阻力加速度跟踪问题,提出一种将CMAC网络与PID控制相结合的复合控制方案。该方案利用传统的PID控制器实现反馈控制,保证系统的稳定,并利用CMAC网络实现补偿控制,提高系统的抗干扰能力。三自由度仿真结果表明,在存在气动偏差和风场干扰等影响的情况下,该算法的跟踪精度与鲁棒性都有增强,终端精度和约束条件都得到了较好的满足。     

Continuous Sliding Mode Controller with Disturbance Observer for Hypersonic Vehicles

In this paper, a continuous sliding mode controller with disturbance observer is proposed for the tracking control of hypersonic vehicles to suppress the chattering. The finite time disturbance observer is involved to make that the continuous sliding mode controller has the property of disturbance rejection. Due to continuous terms replacing the discontinuous term of traditional sliding mode control, switching modes of velocity and altitude firstly arrive at small regions with respect to disturbance observation errors. Switching modes keep zero and velocity and altitude asymptotically converge to their reference commands after disturbance observation errors disappear. Simulation results have proved the proposed method can guarantee the tracking of velocity and altitude with continuous sliding mode control laws, and also has the fast convergence rate and robustness.      

Automatic Guided Vehicles: Robust Controller Design in Image Space

We have been interested in Automatic Guided Vehicles (AGV) for several years. In this paper, we synthesize controllers for AGV applications using monocular vision. In particular, we are interested in road following and direction change tasks, and in analyzing the influence of extrinsic camera parameter perturbations on vehicle behavior. We use the bicycle as the kinematic vehicle model, and we choose the position of the white band on the road as the sensor signal. We define an interaction between the camera, which is mounted inside the vehicle, and the white band detected in the image space. Using this kind of interaction, we present how to use a pole assignment technique to solve the servoing task. We show the simulation and experimental results (1/10 scale demonstrator) with and without perturbations. We then investigate the use of a robust controller to slow down the effect of perturbations on the behavior of the vehicle.     

基于状态变换的非线性鲁棒控制器设计

本文对具有特定结构的非线性系统,介绍了一种非线性变换使之线性化,并利用线性鲁棒控制器的设计方法设计非线性鲁棒控制器,从而提高了闭环系统对参数变动的鲁棒性.文中还通过一个CSTR反应器模型的仿真说明该方法的有效性.     

高超声速飞行器再入姿态鲁棒控制

本文针对气动参数和惯性参数不确定性,同时考虑反作用控制系统(RCS)参与控制,设计高超声速再入飞行器的鲁棒自适应控制器.根据奇异摄动理论将整个控制系统分为快、慢两个回路分别进行设计,将各回路的不确定参数写成矢量的形式,并用自适应估计器进行在线估计,从而使得控制器实现在线自适应调整.利用非线性干扰观测器来处理控制系数矩阵的不确定性部分.提出一种改进的控制分配权重函数,并将总控制力矩分配到气动舵面偏角指令和RCS所需提供的控制力矩指令.利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性.最后,通过仿真验证该控制方案能够有效抑制不确定参数引起的干扰.     

基于反席卷法的高超声速飞行器最优制导律

针对高超声速飞行器再入制导过程中,对轨迹重新优化产生的大计算量导致难以在线实施的问题,采用逆向席卷法设计了一种实时的标称最优制导律.建立了轨迹优化模型,采用伪谱法求解了满足多种路径约束与终端约束的标称最优轨迹.考虑消除扰动所形成的实际修正轨迹的最优性,采用逆向席卷法推导了存在初始扰动的条件下快速求解最优修正轨迹的反馈控...     

基于鲁棒观测器的非线性系统滑模控制

针对一类非线性不确定时滞系统,分别考虑了观测器的设计和控制器的设计问题.首先,基于扩张状态方程,设计鲁棒观测器;其次,基于观测器估计的状态值,融合H∞控制技术,设计了滑模控制器,并且将滑模控制器增益系数的计算问题转化为线性矩阵不等式的求解问题,而且所设计的滑模控制器不要求系统不确定项满足匹配条件,使得控制器具有广泛的使用范围;最后,给出数值算例,将设计的观测器和控制器应用算例中,仿真表明该方法的有效性.