近空间飞行器变论域姿态控制研究

针对近空间飞行器(nearspace vehicle) NSV在高超音速飞行时,气动参数变化剧烈且容易受到外界干扰的特点,基于智能控制技术提出了变论域模糊控制的方法,通过对模糊控制中论域的伸缩因子调节,改变论域范围,减少了控制的计算量,结合变论域模糊快速Terminal滑模控制对受扰动的NSV慢回路进行控制器设计,自适应地调整模糊论域来降低观测误差,提高系统鲁棒性能和抗干扰的速度以及控制精度,同时采用Lyapunov方法严格证明了在控制律作用下,系统误差信号能够在有限时间内收敛.     

高超声速飞行器非线性鲁棒控制律设计

高超声速飞行器具有模型非线性程度高、耦合程度强、参数不确定性大、抗干扰能力弱等特点,其自主控制具有较大的挑战.论文提出了一种基于鲁棒补偿技术和反馈线性化方法的非线性鲁棒控制方法.文中首先采用反馈线性化的方法对纵向模型进行输入输出线性化,实现速度和高度通道的解耦和非线性模型的线性化.针对得到的线性模型,设计包括标称控制器和鲁棒补偿器的线性控制器.基于极点配置原理,设计标称控制器使标称线性系统具有期望的输入输出特性,利用鲁棒补偿器来抑制参数不确定性和外界扰动对于闭环控制系统的影响.基于小增益定理,证明了闭环控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒跟踪性能.相比于非线性回路成形控制方法,仿真结果表明了所设计非线性鲁棒控制算法的有效性和优越性.     

近空间飞行器的多模型切换控制

针对受到扰动的变机翼后掠角近空间飞行器,研究一类基于多模型切换的多输入多输出非线性系统的模糊自适应鲁棒控制器的设计问题.通过构造公共Lyapunov函数设计系统的控制器,采用动态面控制方法避免了控制器设计中的计算膨胀问题,利用自适应模糊系统和鲁棒控制项在线消除系统中的未知干扰影响.仿真结果表明了该方法的有效性.     

基于随机鲁棒设计的高超音速飞行器变结构控制

针对高超音速飞行器输入输出之间强耦合,系统参数不确定以及变结构控制器中的设计参数整定问题,提出了随机鲁棒变结构控制方案;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,通过遗传算法优化系统设计参数;针对某常规高超音速飞行器纵向模型仿真结果显示,该控制方案不仅保证了飞行的纵向稳定性,提高了变结构控制器的控制性能,而且具有强鲁棒性.     

近空间飞行器鲁棒自适应backstepping设计

针对变后掠翼近空间飞行器(near space vehicle,NSV)在大包络、多任务模式飞行运动过程中具有非线性、快时变、强耦合和不确定的特性,提出了基于径向基神经网络(radialbasis function neural network,RBFNN)的鲁棒自适应跟踪控制策略.首先,利用RBFNN在线逼近NSV飞行过程中外部干扰.其次,应用backstepping设计光滑的反馈控制器.其中,采用微分器避免backstepping设计中出现微分膨胀问题,利用鲁棒项减少RBFNN估计误差对系统的影响.然后,通过公共Lyapunov函数证明所提出的控制器可以保证在任意飞行模态中NSV的输出跟踪误差均可以收敛到任意小的有界集内.最后,仿真结果表明该飞控系统具有良好的控制性能.     

具有非线性不确定性的高超声速飞行器的 分布式鲁棒反步跟踪控制

本文针对具有外部干扰,参数摄动和非连续未知非线性气动影响的一般高超声速飞行器纵向动力学问题,设计了分布式鲁棒反步跟踪控制器.为了处理复杂的系统,将标准反步控制和信号补偿方法结合起来构成一个"简单"的鲁棒控制器.该方法不仅可以保证闭环系统半全局鲁棒跟踪性能,也可保证系统跟踪误差以期望的收敛速度收敛到期望的误差范围内.最后,带有非线性不确定性,外部干扰和参数扰动的仿真系统说明了该方法的有效性.     

具有非线性不确定性的高超声速飞行器的分布式鲁棒反步跟踪控制（英文）

本文针对具有外部干扰,参数摄动和非连续未知非线性气动影响的一般高超声速飞行器纵向动力学问题,设计了分布式鲁棒反步跟踪控制器.为了处理复杂的系统,将标准反步控制和信号补偿方法结合起来构成一个"简单"的鲁棒控制器.该方法不仅可以保证闭环系统半全局鲁棒跟踪性能,也可保证系统跟踪误差以期望的收敛速度收敛到期望的误差范围内.最后,带有非线性不确定性,外部干扰和参数扰动的仿真系统说明了该方法的有效性.     

近空间飞行器变增益非线性切换控制器设计

针对变后掠翼近空间飞行器大包络、多工作模态和模型不确定的特点,研究其模态切换过程中姿态的鲁棒跟踪控制问题.首先建立含扰动项的飞行器非线性切换模型,基于反步滑模方法和非线性干扰观测器设计鲁棒控制器,通过公共Lyapunov函数理论证明所设计的控制律能够保证闭环切换系统的稳定性;采用变增益切换控制策略为不同飞行模态设计合适的控制增益,用以提高系统的动态性能.仿真结果验证了所提出方法的有效性和必要性.     

近空间飞行器多模型鲁棒保性能软切换控制

针对可变机翼后掠角的近空间飞行器,提出一种多模型鲁棒保性能软切换控制方法.首先,将非线性系统的工作空间划分为若干区域,在每一区域建立局部T-S模糊模型;然后,根据性能指标利用广义系统的方法,设计局部鲁棒保性能控制器,从而大大减少了计算量,由于控制器在模糊了的边界处进行切换,保证了系统状态在切换过程中的平滑性;最后,对近空间飞行器在变机翼过程中的姿态进行控制,仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

基于非线性干扰观测器的翼伞鲁棒反步跟踪控制

针对干扰条件下的无人翼伞飞行器路径跟踪控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的反馈增益鲁棒反步控制方法.采用二阶跟踪-微分器设计干扰观测器对系统复合干扰进行估计和补偿,设计了反馈增益反步跟踪控制律,通过合理设计增益参数,消除了部分复杂非线性项,避免了虚拟量高阶导数问题,简化了控制器形式.根据Lyapunov理论设计鲁棒反馈补偿项,在保证稳定性的同时提高了系统的鲁棒性.仿真实验结果验证了所提出方法的有效性.     

四旋翼无人机鲁棒自适应姿态控制

 四旋翼无人机的姿态控制是自主飞行控制的核心,针对四旋翼姿态易受外界环境干扰和内部参数摄动等不确定性影响的问题,设计了一种鲁棒自适应反步控制器,以提高四旋翼的鲁棒性。建立了四旋翼完整的姿态运动模型,并将其转化为含有广义不确定性的多输入多输出非线性系统。根据该系统满足严格反馈的结构特点,设计了反步控制器; 针对系统中存在的外部干扰和内部参数摄动等不确定性,引入了一类鲁棒自适应函数来抵消该不确定性对系统的影响; 采用非线性跟踪微分器估计虚拟控制量的微分信号,减小了反步控制器设计中普遍存在的“计算膨胀”问题; 通过构造Lyapunov 函数证明闭环系统是稳定且指数收敛的。仿真结果表明,所设计控制器具有良好的控制效果和鲁棒性。     

鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计

为了解决具有不确定性的非线性系统发生执行器故障后的安全运行问题,针对未建模动态、外界扰动和参数不确定等各种不确定性的综合影响,提出了一种鲁棒自适应滑模虚拟执行器控制重构策略.该方法利用滑模控制具有鲁棒性的特点消除不确定性的影响,采用参数自适应方法使得无须己知不确定项的上界,同时具有虚拟执行器不改变标称控制器结构和参数的特点.采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过动力定位船仿真验证了该方法的有效性.     

Fast terminal sliding mode tracking control of hypersonic vehicles based on non-homogeneous disturbance observer

The tracking control problem of hypersonic vehicles is studied and analyzed in this paper using terminal sliding mode control method (TSMC) and non-homogeneous disturbance observer(NHDO) considering parametric uncertainty and external disturbances. Non-singular terminal sliding mode controller is provided based on NHDO. The key idea is that the NHDO is adopted to estimate the aerodynamic uncertainties and external disturbances simultaneously, which can enhance the robustness of the system and lower the gain of the switch controller. Rigorous stability analysis for the closed-loop system is given via Lyapunov stability theory, which proves that the system states are always bounded even during the estimation process when the estimation error is not zero. The sliding manifold can be reached in finite time and the tracking errors can converge to zero asymptotically. Numerical simulations are conducted with the longitudinal nonlinear dynamic model of hypersonic vehicles to verify the effectiveness and robustness of the designed controller.     

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.     

小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,通过系统参数辨识,获得了较为准确的无人直升机姿态动力学模型.并根据无人直升机的动态特性,设计了基于神经网络前馈与滑模控制的非线性鲁棒姿态控制律,该控制律对直升机模型的先验知识要求较低.利用基于Lyapunov的分析方法证明,设计的控制律能够实现对无人直升机姿态角的半全局指数收敛镇定控制,并能确保闭环系统的稳定性.基于姿态飞行控制实验平台的实时飞行控制实验结果表明,提出的控制设计取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有较好的鲁棒性.     

Disturbance Observer Based Control for Four Wheel Steering Vehicles With Model Reference

This paper presents a disturbance observer based control strategy for four wheel steering systems in order to improve vehicle handling stability. By combination of feedforward control and feedback control, the front and rear wheel steering angles are controlled simultaneously to follow both the desired sideslip angle and the yaw rate of the reference vehicle model. A nonlinear three degree-of-freedom four wheel steering vehicle model containing lateral, yaw and roll motions is built up, which also takes the dynamic effects of crosswind into consideration. The disturbance observer based control method is provided to cope with ignored nonlinear dynamics and to handle exogenous disturbances. Finally, a simulation experiment is carried out, which shows that the proposed four wheel steering vehicle can guarantee handling stability and present strong robustness against external disturbances.      

Nonlinear adaptive robust control design for static synchronous compensator based on improved dynamic surface method

In view of single machine to infinite bus system with static synchronous compensator, which is affected by internal and external disturbances, a nonlinear adaptive robust controller is constructed based on the improved dynamic surface control method(IDSC). Compared with the conventional DSC, the sliding mode control is introduced to the dynamic surface design procedure, and the parameter update laws are designed using the uncertainty equivalence criterions. The IDSC method not only reduces the complexity of the controller but also greatly improves the system robustness, speed and accuracy. The derived controller cannot only attenuate the influences of external disturbances against system output, but also has strong robustness to system parameters variance because the damping coefficient is considered in the internal parameter uncertainty. Simulation result reveals that the designed controller can effectively improve the dynamic performances of the power system.     

Composite predictive flight control for airbreathing hypersonic vehicles

The robust optimised tracking control problem for a generic airbreathing hypersonic vehicle (AHV) subject to nonvanishing mismatched disturbances/uncertainties is investigated in this paper. A baseline nonlinear model predictive control (MPC) method is firstly introduced for optimised tracking control of the nominal dynamics. A nonlinear-disturbance-observer-based control law is then developed for robustness enhancement in the presence of both external disturbances and uncertainties. Compared with the existing robust tracking control methods for AHVs, the proposed composite nonlinear MPC method obtains not only promising robustness and disturbance rejection performance but also optimised nominal tracking control performance. The merits of the proposed method are validated by implementing simulation studies on the AHV system.     

输入输出受限船舶的轨迹跟踪自适应递归滑模控制

针对输入输出受限, 模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题, 提出一种基于时 变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略. 该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船 舶轨迹在有限区域内, 利用最小参数法神经网络逼近模型不确定项, 降低系统的计算复杂度, 然后采用指令滤波器 对输入信号进行幅值约束, 同时避免对因反步法导致的微分爆炸问题, 综合考虑船舶位置以及速度误差间的关系设 计递归滑模控制律, 提高系统的鲁棒性, 采用双曲正切函数和Nussbaum函数补偿由输入饱和引起的非线性项, 提高 系统稳定性. 最后通过Lyapunov理论分析证明了全驱动船舶闭环系统中所有信号是一致最终有界的. 仿真结果表 明, 本文所设计的船舶轨迹跟踪控制方案能有效处理船舶模型不确定部分以及未知外界干扰的问题, 能够实现船舶 在输入受限的情况下在有限区域内航行并准确的跟踪期望轨迹, 具有较强的鲁棒性.     

一类不确定动态系统的输出反馈模糊变结构控制*

对于一类具有非线性不确定性及外加干扰的系统，本文提出了一种模糊变结构控制方案，控制中只利用系统输出信号和一些辅助信号。利用李亚普诺夫方法，证明了闭环系统全局ＢＩＢＯ稳定，仿真表明该控制方案可回避通常滑控制中不可避免的颤动，且系统具有很强的鲁棒性。