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.     

四旋翼无人机姿态系统复合连续快速非奇异终端滑模控制EI北大核心CSCD

本文针对受多源干扰影响的四旋翼无人机姿态系统,基于复合连续快速非奇异终端滑模算法,研究了姿态指令变化率未知情况下的连续有限时间姿态跟踪控制问题.首先,基于四旋翼无人机姿态回路动力学模型,通过引入虚拟控制量实现姿态跟踪误差动态的三通道解耦;其次,分别针对各通道跟踪误差动态设计高阶滑模观测器,实现跟踪误差变化率和集总干扰的有限时间估计;最后,结合姿态跟踪误差变化率的估计信息,构建动态快速非奇异终端滑模面,并在控制设计中用指数幂函数代替符号函数以保证控制量连续.并且基于Lyapunov分析方法给出了姿态跟踪误差有限时间收敛的严格证明,仿真结果验证了所提方法的有效性.     

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.     

基于光滑二阶滑模的可重复使用运载器有限时间再入姿态控制

针对可重复使用运载器(reusable launch vehicle,RLV)的六自由度再入模型,考虑模型不确定和外界干扰对再入姿态控制的影响,提出了一种非线性鲁棒控制策略.首先,根据多时间尺度特性将RLV的再入姿态模型分为姿态角子系统和姿态角速率子系统.其次,对每个子系统分别设计光滑二阶滑模控制器和滑模干扰观测器实现子系统的有限时间稳定.利用干扰观测器可以实现对不确定和外界干扰的精确估计,从而对控制器进行有效的补偿.进而,基于Lyapunov理论证明了整个系统的有限时间稳定.最后,通过仿真验证了提出的控制策略具有良好的控制性能和鲁棒性.     

再入飞行器带有干扰观测器的有限时间控制

针对模型参数不确定及外界干扰影响下的再入飞行器的姿态控制问题,设计基于干扰观测器的有限时间控制策略.首先建立面向控制模型,并通过多时间尺度原理将面向控制模型分为内、外两环;其次,设计干扰观测器实时观测面向控制模型中的参数不确定及外界干扰,解决滑模控制因参数过大而导致的抖振问题,基于观测值,设计终端滑模控制器,在此基础上,基于Lyapunov理论对控制系统的稳定性进行分析;最后,基于六自由度再入模型,验证所设计的有限时间姿态控制策略的有效性.     

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...     

考虑执行器动态和输入受限的近空间飞行器鲁棒可重构跟踪控制

针对多变量、不稳定的近空间飞行器姿态系统,在系统存在参数不确定和外部干扰的情况下,并考虑执行器动态和输入受限,提出一种鲁棒可重构跟踪控制策略.首先,利用二阶滑模干扰观测器分别重构姿态、角速率回路的复合干扰;其次,采用鲁棒二阶滑模积分滤波器的反推(backstepping)方法避免了控制器设计中微分项膨胀问题,利用鲁棒项抵消重构误差对系统的影响,以实现姿态控制器设计.然后,在考虑执行器动态、输入受限及舵面卡死故障下,给出一种线性矩阵不等式的在线优化舵面分配算法,以实现飞行器的姿态角渐近跟踪期望的制导指令.最后,仿真结果表明所提出的方法具有良好的跟踪控制性能.     

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.     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

移动质心自旋再入飞行器的建模与解耦控制

对移动质心控制自旋再入飞行器进行了概念研究.以所建立的移动质心自旋再入飞行器的姿态动力学模型为基础,分析其控制耦合特性,借鉴工程中易于实现的逆奈奎斯特阵列法,对被控对象进行预补偿,使其传递函数矩阵成为具有对角优势来削弱被控对象各回路间的耦合,然后再运用单变量系统的频域设计方法对每个回路单独设计,从而将复杂的多变量设计问题转化为单变量设计问题,解决较强耦合下自旋再入飞行器姿态稳定性同题.仿真分析表明,对被控对象进行预补偿设计后,系统达到了较好的解耦效果.     

基于准连续高阶滑模的可重复使用运载器再入姿态控制

针对可重复使用运载器再入段的姿态控制问题,提出一种基于准连续高阶滑模的控制方法。将姿态控制系统分为两个回路,分别为角度控制回路与角速度控制回路。角度回路作为外回路产生角速度指令,角速度回路作为内回路跟踪外回路产生的角速度控制指令。为了提高系统的鲁棒性,对两个回路分别设计滑模控制器。外回路中设计基于低通滤波的终端滑模控制方法,以获得平滑的控制量作为角速度指令。内回路设计增加系统相对阶的准连续高阶滑模方法,使控制律中不直接含有符号函数项,保证系统稳定的同时减弱控制器抖振。在具有外界干扰与参数不确定的情况下,使用本文提出的方法进行仿真试验,仿真结果证明了所提出方法的有效性。     

再入飞行器姿控系统的准连续高阶滑模设计

针对存在参数不确定性和外扰的飞行器再入姿态控制问题,提出一种基于准连续高阶滑模的控制方案.首先基于奇异摄动理论将姿态控制系统分为快、慢两回路;随后在慢回路滑模控制系统设计中利用范数型切换函数代替符号函数以使虚拟控制量平滑连续;在快回路设计中,基于积分型快速终端滑模、反馈控制和准连续高阶滑模控制理论设计快回路控制系统.理论分析和仿真结果均表明,该控制方案在增强系统鲁棒性的同时能够有效削弱系统抖振.     

基于气动舵面和RCS融合控制的高超声速飞行器再入姿态容错控制

针对高超声速飞行器再入姿态模型,研究气动舵面故障时的再入姿态容错控制.根据高超声速飞行器再入初期的特点,通常需要反作用控制系统(Reaction Control Systems,RCS)协助气动舵面完成姿态控制.采用Backstepping方法获得期望力矩,将气动舵面视为首要执行机构,在气动舵面之间控制分配期望的力矩.如果气动舵面不能达到期望力矩,则开启RCS,由RCS提供气动舵面不能提供的力矩.考虑舵面发生部分失效和卡死故障情况,设计基于控制分配算法的容错控制策略,使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能.     

采用滑模观测器的六旋翼指令滤波鲁棒控制

针对包含复合干扰的六旋翼无人机鲁棒控制问题,提出了一种基于滑模观测器的指令滤波鲁棒控制方法。建立了包含复合干扰的六旋翼无人机位置和姿态的数学模型,并对位置回路设计了滑模控制律,从而解算出姿态指令;根据姿态角回路输出的虚拟控制律,设计了指令滤波器来抑制微分爆炸现象,并利用辅助滤波器补偿指令滤波的误差;在角速度回路鲁棒控制律中引入滑模观测器,对包括模型误差和外界扰动的复合干扰进行补偿,实现了六旋翼UAV的指令滤波鲁棒控制。仿真结果表明：提出的指令滤波鲁棒控制律与指令滤波自适应控制方法相比,在复合干扰下具有更优的稳定性、准确性和快速性,位置和姿态的最大误差分别仅为0.05?m和0.5°,滑模观测器的估计误差也仅为0.2 （°）/s,能够在更短的时间内实现对六旋翼UAV位移和姿态的鲁棒控制。     

Nonlinear robust adaptive hierarchical sliding mode control approach for quadrotors

This paper exploits a nonlinear robust adaptive hierarchical sliding mode control approach for quadrotors subject to thrust constraint and inertial parameter uncertainty to accomplish trajectory tracking missions. Because of under‐actuated nature of the quadrotor, a hierarchical control strategy is available; and position and attitude loop controllers are synthesized according to adaptive sliding mode control projects, where adaptive updates with projection algorithm are developed to ensure bounded estimations for uncertain inertial parameters. Further, during the position loop controller development, an auxiliary dynamic system is introduced, and selection criteria for controller parameters are established to maintain the thrust constraint and to ensure the non‐singular requirement of command attitude extraction. It has demonstrated that, the asymptotically stable trajectory tracking can be realized by the asymptotically stable cascaded closed‐loop system and auxiliary dynamic system. Simulations validate and highlight the proposed control approach. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Robust Attitude Control for Reusable Launch Vehicles Based on Fractional Calculus and Pigeon-inspired Optimization

In this paper, a robust attitude control system based on fractional order sliding mode control and dynamic inversion approach is presented for the reusable launch vehicle (RLV) during the reentry phase. By introducing the fractional order sliding surface to replace the integer order one, we design robust outer loop controller to compensate the error introduced by inner loop controller designed by dynamic inversion approach. To take the uncertainties of aerodynamic parameters into account, stochastic robustness design approach based on the Monte Carlo simulation and Pigeon-inspired optimization is established to increase the robustness of the controller. Some simulation results are given out which indicate the reliability and effectiveness of the attitude control system.      

Adaptive disturbance observer‐based finite‐time continuous fault‐tolerant control for reentry RLV

The control effectors of reusable launch vehicle (RLV) can produce significant perturbations and faults in reentry phase. Such a challenge imposes tight requirements to enhance the robustness of vehicle autopilot. Focusing on this problem, a novel finite‐time fault‐tolerant control strategy is proposed for reentry RLV in this paper. The key of this strategy is to design an adaptive‐gain multivariable finite‐time disturbance observer (FDO) to estimate the synthetical perturbation with unknown bounds, which is composed of model uncertainty, external disturbance, and actuator fault considered as the partial loss of actuator effectiveness in this work. Then, combined with the finite‐time high‐order observer and differentiator, a continuous homogeneous second‐order sliding mode controller based on the terminal sliding mode and super‐twisting algorithm is designed to achieve a fast and accurate RLV attitude tracking with chattering attenuation. The main features of the integrated control strategy are that the adaptation algorithm of FDO can achieve non‐overestimating values of the observer gains and the second‐order super‐twisting sliding mode approach can obtain a more elegant solution in finite time. Finally, simulation results of classical RLV (X‐33) are provided to verify the effectiveness and robustness of the proposed fault‐tolerant controller in tracking the guidance commands. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统

传统飞机飞行姿态滑膜控制系统,存在飞机飞行姿态自适应系数稳定性差的问题,在控制过程中会受到多重因素影响,导致飞行姿态可控误差系数增大,需要辅助控制系统修正才能完成飞行姿态的控制操作;针对上述问题,提出基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统;系统硬件基于PID自适应滑模控制器,对飞机飞行姿态控制器进行结构设计;软件部分通过引入自适应滑模控制策略,对PID控制器姿态控制变量进行适配;引入AFSMC算法计算姿态控制器当前时间点下的运动控制方程,得到飞行姿态自适应滑模控制的最优量,完成基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统设计;实验结果表明,所设计系统能够在不同飞行工况下,对飞机飞行姿态作出准确控制,系统的整体控制精度范围为90%~97.4%,飞机飞行控制稳定性较好,有效提升了系统对飞机飞行姿态的控制准确度。