大角度机动飞行器变结构姿态控制设计研究

在大姿态角的情况下,飞行器姿态运动的非线性因素和耦合因素不能忽略,传统的近似线性化方法在姿态控制设计中难以满足各种性能要求.同时,飞行器运动参数存在大范围变化,姿态控制系统的设计必须能够克服参数摄动的影响.文中首先运用输入输出反馈线性化方法,将飞行器姿态运动方程组线性化并且解耦成经典的单变量系统,然后运用滑模变结构"界值"控制,实现飞行器的姿态角跟踪控制系统设计.仿真证明设计是有效的.     

基于平方和优化的飞行器大角度姿态机动保性能控制器设计

研究飞行器大角度姿态机动状态反馈保性能控制器设计问题。采用修正的Rodrigues参数建立了飞行器姿态控制运动模型,将非线性的飞行器姿态系统模型转化为线性参数可变模型(LPV模型)。将平方和优化技术和Lyapunov理论相结合,给出了飞行器大角度姿态机动保性能控制器设计方法。仿真结果表明了所提方法的有效性。     

高超声速飞行器自抗扰轨迹线性化控制器的优化设计

为了进一步提高自抗扰轨迹线性化控制方法的工程实用价值,对基于自抗扰轨迹线性化的再入飞行器姿态控制器进行了优化设计。首先,分别对开环前馈控制器和闭环误差反馈控制器的优化机理进行了分析。接着,基于该优化机理,分别对开环前馈控制器和闭环误差反馈控制器进行了优化设计。仿真结果验证了所提优化控制器方案的合理性和有效性,能够满足高超声速飞行器的快时变、高精度以及强鲁棒的控制需求,进一步提高了自抗扰轨迹线性化控制方法的工程实用价值。     

弹性振动对喷气式姿态控制系统的影响作用

文中研究了飞行器结构弹性振动和主动式喷气三轴稳定姿态控制系统耦合的数学模型和仿真方法,并以某空间飞行器轨道机动过程中俯仰通道为例,考虑控制系统的非线性特性,分析了弹性振动对姿态控制精度、响应时间以及系统稳定性的影响.     

基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法

弹道式航天飞行器末修闭路制导飞行段通常采用具有非线性特性的固定姿控喷管进行姿态跟踪和稳定控制,此时姿态控制精度直接影响闭路制导效果。传统斜线开关线控制方法存在系统性姿态角偏差,导致末修推力方向与待增速度方向始终存在差异,进而影响到飞行器落点精度。提出的基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法,通过干扰力矩在线辨识,实时设计姿控喷管开关线,将极限环调整至环绕原点,从而提高姿控精度。基于某型飞行器的仿真结果表明,与传统设计方法相比,基于干扰力矩辨识的高精度非线性姿态控制方法可将闭路制导段姿态控制精度提高约90%,减小姿态偏差对闭路制导的影响,飞行器落点精度提高约25%。     

基于MIMO-ESO的高速飞行器自抗扰控制

针对高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,设计了高速飞行器MIMO-ESO自抗扰姿态控制器。考虑各通道间的耦合影响,结合自抗扰控制中的扩张状态观测器及非线性状态误差反馈律,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为“总和干扰”,利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性状态误差反馈律抑制补偿残差。仿真结果表明,MIMO-ESO自抗扰控制器能够克服干扰及气动参数大范围摄动的影响,在获取良好的动态品质和跟踪性能的同时,具有较强的鲁棒性,克服了实际工程中难以建立精确被控模型并获取参数摄动范围的困难,具有工程应用价值。     

高超声速飞行器自抗扰PID姿态控制

针对高超声速飞行器模型非线性、气动参数变化剧烈的特点,运用自抗扰技术中的跟踪微分器,设计了自抗扰PID控制器,实现了对高超声速飞行器俯仰通道的姿态控制。仿真结果表明,通过两个跟踪微分器构造的自抗扰PID控制器对于高超声速飞行器这样复杂的模型有很好的控制能力,并且有很好的滤波性能和鲁棒性。     

高超声速飞行器的终端滑模姿态控制

针对具有高度非线性、强耦合、含较大不确定性特点的高超声速飞行器,设计了终端滑模控制器,并应用于高超声速飞行器的姿态控制中。对飞行器姿态控制系统的慢回路设计PID控制律,快回路设计终端滑模控制律。终端滑模控制对系统参数的变化不灵敏,具有良好的鲁棒性。并利用李雅普诺夫稳定性理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真结果表明,在气动参数大范围摄动的情况下,该控制系统对于高超声速飞行器姿态角信号指令具有良好的跟踪性能。     

引入角加速度测量的柔性飞行器姿态控制方法

讨论大气层外细长型柔性飞行器的姿态控制问题,该问题的本质是在测量器件附加柔性影响的情况下控制刚体姿态跟踪指令。提出动态面姿态控制方法,以实现姿态指令跟踪。建立柔性形变的2阶动态模型,结合刚体角速度与柔性形变的关系建立非线性模型并设计卡尔曼滤波器。针对轨控发动机质心偏移等因素产生的干扰力矩,引入角加速度计的测量,经过陷波滤波器处理后得到各轴向的估计力矩,将其作为卡尔曼滤波器的输入。仿真结果表明,对于柔性飞行器,采用所提出的状态估计及控制方法,可以保证姿态跟踪误差在0.5°以内。     

基于自抗扰控制技术的导弹控制系统设计

文中采用自抗扰控制技术对导弹控制系统设计的新方法和工程实现进行研究。文中借鉴常规导弹控制工程实现的设计方法和原则,提出自抗扰姿态、过载、高度控制器设计及工程实现方法,并与传统方法设计结果在数字仿真中比较。结果表明,该方法具有较强的鲁棒性和适应性,在导弹控制系统设计中应用前景较好。     

基于模糊自抗扰的直升机障碍滑雪机动控制

为了提高直升机在机动飞行过程中的解耦性和未知扰动抑制能力,采用基于模糊与自抗扰的复合式控制 结构,设计直升机障碍滑雪机动控制器。分析ADS-33E-PRF 要求的直升机障碍滑雪机动过程中状态量的关系和控 制逻辑,在角速度环设计扩张状态观测器对未知扰动进行观测并加以补偿,在姿态环根据误差及其变化速率引入模 糊规则对控制律参数进行在线优化。针对无风扰和有风扰的飞行环境,开展障碍滑雪机动算法设计与仿真验证。结 果表明：在2 种飞行环境下,直升机飞行轨迹上下边界均控制在15.24～30.48 m 以内,达到标准中定义的满意品质 指标,验证了所采用的控制策略能够有效地估计出机动飞行过程的外部扰动,提高控制系统的抗干扰能力。     

火箭炮两轴耦合位置伺服系统线性自抗扰控制

为了研究方位和俯仰两轴耦合作用下的火箭炮位置伺服系统控制性能,以含有速度闭环的实际系统为对象建立了火箭炮两轴耦合位置伺服系统数学模型。通过频域分析分别提出了方位和俯仰系统的2阶近似模型,设计了两轴系统的线性扩张状态观测器和自抗扰控制器,对系统未建模干扰进行估计并实时补偿。仿真结果表明：该观测器能较好地估计系统总扰动,所设计的控制器有效抑制了两轴负载力矩耦合效应对系统的影响并补偿了火箭炮发射时燃气流冲击力矩强干扰;在伺服跟踪和发射条件下采用所提出的控制方法充分抑制了耦合系统发射平台振动,保证后续射弹精度,性能指标明显优于PID控制。     

基于自抗扰控制的导引律

考虑目标机动和驾驶仪动态等情况,提出了一种基于自抗扰控制理论和反步法设计思想的新型制导律。将目标机动和驾驶仪参数不确定分别当成系统的扰动。将包含驾驶仪动态特性的制导环路,分作外环和内环分别进行控制器设计。外环自抗扰控制器用于控制切向相对速度收敛到零。抑制目标机动及系统非线性项对视线稳定性影响。内环自抗扰控制器用于跟踪外环输出的虚拟控制,补偿驾驶仪动态及驾驶仪参数不确定性对于制导精度的影响。仿真结果表明,设计的算法能够有效地实现制导目的,在目标作大机动且考虑驾驶仪动态情况下,仍然具有很高的制导精度。     

基于自抗扰控制技术的鲁棒制导律设计

利用自抗扰控制技术，设计了一种对未知目标机动具有较强鲁棒性的制导律。运用扩张状态观测器对系统非线性部分、通道间耦合项以及目标机动加速度的总和进行估计，并实时给予动态补偿，实现了动态反馈线性化和解耦控制，然后设计了非线性反馈控制器。仿真结果表明，该制导律能有效抑制视线角速度的波动，保证导弹命中目标。     

飞行/推进综合控制的自抗扰控制器设计

为解决飞行/推进综合控制的多变量耦合控制问题,提出了采用自抗扰控制技术的方法。分别对速度控制回路和高度控制回路进行自抗扰控制器设计,将回路间的耦合作为扰动进行估计并抑制。速度控制回路使用二阶线性扩张状态观测器。高度控制回路采用俯仰角和高度内外回路控制,分别使用三阶线性扩张状态观测器。采用带宽来确定状态观测器的参数。仿真结果表明设计的控制器消除了高度和速度通道之间的耦合,具有一定的抗噪声干扰能力。     

运载火箭自适应增广抗扰减载控制

针对运载火箭上升过程中大干扰和不确定性影响将导致姿态跟踪误差大,以及弹性振动等附加动力学影响明显的问题,设计了自适应增广抗扰减载控制系统,以实现运载火箭姿态的精确控制。首先建立了运载火箭纵向运动模型和弹性振动模型,然后以标称PID(Proportion Integration Differentiation)控制和自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control,AAC)为基础,设计干扰补偿回路和主动减载回路减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在风干扰、参数不确定性和弹性振动影响下进行仿真分析。仿真结果表明,与传统PID控制相比,本文设计的自适应增广抗扰减载控制系统能够适应复杂环境的影响,可提高控制精度和稳定性,具有较强的工程应用价值。     

火箭炮位置伺服系统自抗扰控制

针对火箭炮发射时燃气流冲击干扰强和系统参数变化大的特点,以含有速度闭环的实际伺服系统为对象,建立系统模型并进行频域分析,建立了系统的低频和中频近似模型,并在此基础上分别设计了火箭炮位置伺服系统2阶和3阶线性扩张状态观测器及相应的自抗扰控制律,估计系统未建模干扰并在控制输入中予以补偿。比较分析了设计的自抗扰控制律和传统PID控制在伺服跟踪和燃气流冲击干扰下的控制效果。仿真结果表明,火箭炮伺服系统采用提出的控制方法能有效提高跟踪精度,充分抑制燃气流冲击干扰引起的发射平台振动,保证后续射弹命中精度。     

动力陀螺稳像系统自抗扰控制器设计与仿真

针对具有交叉耦合以及会受内外干扰的动力陀螺稳像系统,运用自抗扰控制理论设计了控制器。采用前馈控制解耦矩阵实现了通道之间的解耦。采用扩张状态观测器对系统的内外干扰进行实时估计和补偿,由非线性状态误差反馈控制律设计了ADRC控制器,实现对动力陀螺稳像系统的控制。数字仿真结果表明：所设计的自抗扰解耦控制器具有良好的解耦性能、跟踪性能、抗干扰性能和抑噪性能,可以满足动力陀螺稳像系统的控制要求。     

动力陀螺稳像系统自抗扰控制器设计与仿真

为了进一步提高系统的跟踪性能与抗干扰性能,运用自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)理论对具有交叉耦合以及会受内外干扰的动力陀螺稳像系统设计控制器。采用前馈控制解耦矩阵实现了通道之间的解耦。采用扩张状态观测器对系统的内外干扰进行实时估计和补偿,由非线性状态误差反馈控制律设计了ADRC控制器,实现对动力陀螺稳像系统的控制。数字仿真结果表明：所设计的自抗扰解耦控制器具有良好的解耦性能、跟踪性能、抗干扰性能和抑噪性能,可以满足动力陀螺稳像系统的控制要求。