高超声速飞行器三通道耦合制导律与鲁棒控制律设计

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题，提出了一种基于李代数和增量非线性动态逆的制导控制系统联合设计方法。将飞行器在俯冲段的制导目标转换为需求视线坐标系约束，在李群上建立了以当前视线坐标系与需求视线坐标系转换矩阵变化率表示的飞行器与目标的相对运动模型，同时建立以欧拉运动方程表示的飞行器姿态运动模型。针对李群上建立的相对运动方程，基于SO(3)上的广义PD控制方法设计了制导律，并针对姿态运动方程借助增量非线性动态逆方法设计了对气动干扰具有强鲁棒的姿态控制律。通过蒙特卡洛仿真试验，验证了制导控制系统联合设计方法的有效性和鲁棒性。     

一种倾转四旋翼无人机及其过渡段姿态控制

为解决常规四旋翼无人机前飞速度慢、续航时间短、固定翼飞行器无法垂直起降和悬停的不足,设计一种小型倾转四旋翼QTR(quad tilt-rotor)无人机.建立QTR无人机的动力学模型,针对该无人机的过渡段姿态控制特点设计基于鲁棒伺服 LQR 控制理论的姿态控制器,针对 QTR 由垂直模式切换水平模式的过渡阶段设计控制策略,并通过仿真实验,对比传统控制方法进行验证.仿真结果表明:该无人机既兼顾传统四旋翼无人机的飞行功能,又能像固定翼飞行器一样进行长距离快速飞行.     

倾转旋翼无人机模态转换控制

对小型倾转旋翼无人机模态转换全过程中的飞行控制技术进行了研究。首先,介绍了一种倾转旋翼无人机模型,并提出了一套适用于模态转换全过程的模态转换策略。建立了该倾转旋翼无人机的纵向模型并进行了配平分析,获得其模态转换全过程的"转换路径",给出了高度与空速的控制结构,并设计了模态转换控制律。最后,对倾转旋翼无人机模态转换全过程进行全数字仿真,结果表明,该倾转旋翼无人机在模态转换过程中高度与空速实现了良好的跟踪,整个模态转换过程平稳、安全。     

飞行器航迹控制的神经网络方案

针对用动态逆方法设计飞行器轨迹控制系统所遇到的完全非线性问题，提出了一种以神经网络为核心的解决方案，其中用一个前向神经网络逼近完全非线性的近似逆；非在分析了系统误差的基础上，用一个适应动态神经网络代偿系统的近似逆误差和前向神经网络的映射误差。文中给出了前向神经网络的拓朴结构及动态神经网络的自适应修正律，仿结果表明该方案具有良好的指令跟踪能力。     

直接力/气动力复合控制非线性控制律研究

针对直接力／气动力复合控制非线性弹体模型，通过单通道的设计和仿真，进行了非线性控制律的验证。控制律是在反馈线性化（非线性动态逆）的基础上结合模糊控制和神经网络——FCMAC的优点，采取的一种鲁棒自适应方法，对导弹的非线性模型进行了控制器的设计。仿真结果表明了该控制方案的可行性。     

基于自抗扰滑模理论的倾转旋翼飞行器非线性姿态控制研究

倾转旋翼飞行器具有非定常、非线性、不同通道耦合明显和控制冗余等特性。本文基于分体法和Pitt-Peters动态入流理论建立的非线性模型能够很好模拟该类飞行器气动力学特征。结合自抗扰控制理论、滑模控制理论和动态面控制理论的新型自抗扰滑模控制算法,利用跟踪微分器得到对象姿态角和姿态角速度的指令,利用基于滑模理论的新型滑模扩张状态观测器估计内外部干扰,包括模型误差和多通道耦合等。该新型算法具有对被控对象摄动和内外部干扰适应能力强、参数清晰等优点。不同飞行状态的仿真结果表明,该算法具有较好的控制效果和鲁棒性。     

基于增量动态逆的无人机着舰控制方法

针对舰载无人机着舰过程中的甲板运动、舰尾流等问题,提出一种基于舰机相对运动的舰载无人机增量动态逆着舰控制方法。在舰机相对运动和相应几何关系的基础上,推导出甲板运动情况下的相对下滑角与绝对下滑角之间的数学关系,从而实现对理想着舰轨迹线的精确跟踪;设计增量动态逆控制律,在充分利用测量信息的基础上摆脱对模型精度的过度依赖,在保证跟踪精度的同时能够有效降低计算负荷。仿真结果表明：该方法能够精确跟踪理想着舰轨迹,有效降低甲板运动对着舰精度的影响,同时设计的增量动态逆控制器具有较强的鲁棒性。     

倾转旋翼机飞行控制系统变结构设计

文中针对倾转旋翼机拉力矢量/气动力组合控制的特点,在完成倾转旋翼机建模的基础上,采用滑模变结构控制对飞行控制系统进行了设计.提出了一套利用俯仰角、俯仰角速度构造爬升角、爬升角速度以解算滑动超平面方程的工程可实现方法,并针对变结构控制的颤振问题,给出了工程消颤算法.最后,通过仿真验证了所设计的控制系统具有良好的动态性能,具有较好的工程参考价值.     

基于神经网络动态逆的微小型飞行器半实物仿真

针对微小型飞行器易受外界干扰,难于控制的特点,在经典PID控制的基础上,引入神经网络动态逆方法,设计复合控制律。基于Matlab建立微小型飞行器的Simulink仿真模型。控制器、舵偏角传感器等物理实物通过RS232串口连接,搭建半实物仿真环境。仿真结果表明,该方案能有效地控制微小型飞行器按照预定航线,以稳定的姿态飞行,具有较强的鲁棒性。     

四旋翼飞行器鲁棒自适应姿态控制器设计

为实现四旋翼飞行器姿态的稳定控制,针对该系统的非线性、易受外界干扰和参数摄动影响等问题,提 出一种鲁棒自适应控制方法。首先通过分析四旋翼飞行器的工作原理,建立了动力学模型;其次在线性化飞行器模 型的基础上,设计了基于最优二次型鲁棒伺服控制方法的姿态控制器;然后应用模型参考自适应控制方法设计了自 适应补偿器消除系统不确定性的影响;最后对加入了鲁棒自适应控制的飞行器进行仿真。仿真结果表明：该控制器 具有稳定精确的指令跟踪性能和强鲁棒性,能够在复杂环境下实现稳定良好的姿态控制。     

固定翼垂直起降无人机过渡机动优化控制分配研究

以一种固定翼垂直起降无人机为研究对象,研究其6自由度过渡机动非线性优化控制分配问题。基于增量动态逆（INDI）方法设计全局化控制器,并利用该方法降低控制模型中的不确定性对控制效果的影响。针对无人机控制冗余和耦合问题,在INDI基础上提出一种2级递进式优化控制分配方法,对航迹和姿态控制回路中的控制变量增量进行综合优化分配。该优化控制分配方法可以将非线性耦合控制分配问题转化为线性优化问题求解,避免了迭代计算,同时提高了求解速率。针对优化分配中的目标函数设计动态权值选取方案,使无人机能够根据任务需求和飞行状态调整优化分配侧重方向并确保优化结果的合理性。仿真结果表明,该无人机能够很好地跟踪过渡机动航迹,控制分配方法可行。     

基于反步法和非线性动态逆的无人机三维航路跟踪制导控制

为实现无人机在大范围内稳定、精确地跟踪三维参考航路,基于制导与控制回路独立设计的思路,提出了一种无人机三维航路跟踪制导控制方法。在制导外环,引入沿参考航路飞行的虚拟无人机作为向导并利用反步法设计三维航路跟踪的非线性制导律;在控制内环,以非线性动态逆理论和奇异摄动理论为基础,设计由机动指令生成器、角度转换器、慢回路姿态控制器和快回路角速度控制器所组成的飞行控制模块,对制导外环给出的制导指令进行快速精确地跟踪。基于Lyapunov稳定性理论证明了无人机航路跟踪制导控制方法的稳定性。通过对比分析无人机6自由度模型下的三维航路跟踪仿真,说明所提出的制导控制方法能够使得无人机精确地跟踪参考航路,从而验证了该方法的有效性、合理性。     

基于隐式增量动态逆的水下运载器出水姿态控制

显式动态逆控制直接利用非线性对消来实现对系统的精确线性化,但由于实际模型存在不确定性因而会造成在对消过程中存在逆误差,使得控制的鲁棒性难以保证。在解决水下运载器出水运动问题中,由于存在较强的不确定性,显式动态逆控制无法消除逆误差的影响。出水过程中水动力变化剧烈同时海浪强烈作用,因此需要对姿态控制问题进行着重研究。在仿射形式的水下运载器出水运动数学模型基础上,推导并得到了隐式增量形式的动态逆控制律,利用层叠结构思想将系统划分为慢快两个回路。在时标分离的慢快回路基础上,引入状态变化率反馈,设计了不依赖精确数学模型的隐式增量控制律,提高了控制的鲁棒性。基于隐式动态逆相应的控制算法,考虑海浪作用、水动力参数摄动以及测量噪声的影响下,对水下运载器出水姿态进行跟踪控制,验证了控制律的有效性和合理性。     

基于局部综合制导与控制的无人机紧密编队飞行仿真

针对无人机紧密编队飞行问题,以"长机-僚机"编队模式为模型,提出了1种改进的编队飞行控制技术—局部综合制导与控制。该技术包含级联回路和动态逆回路,并使用完整的无人机六自由度非线性模型使得本文对无人机紧密编队飞行研究不再局限于目前基于模型的质点运动设计,有助于将研究的结果运用到未来真实的无人机编队飞行中。相对于常规的制导与控制设计,该方法可降低整体回路延迟。仿真结果证明,该方法可使无人机编队有效形成和保持队形,对于长机机动动作,僚机具有很好的跟随性,能得到较好的编队飞行结果。     

滑模变结构控制及在电动舵系统中的应用研究

针对导弹电动舵系统的精确控制问题，在建立系统非线性数学模型的基础上，设计了一种基于趋近率的滑模变结构控制（VSC）算法。通过连续化控制量较好的消除了系统抖振，根据上下界的原理对外部干扰和不确定的影响性进行补偿，从而提高了算法的鲁棒性和非线性处理能力。通过对典型导弹电动舵系统仿真，结果表明，在电动舵系统受内部参数摄动和外部非线性干扰的工况下，利用该方法设计的控制器，能实现快速、准确、无超调地跟踪给定信号。     

基于动态逆的无人机飞行控制律设计

针对无人机机动飞行时系统呈现为非线性和高耦合的特点,提出一种采用动态逆控制无人机内回路的设计方法。通过数学解析的方法直接解算出逆模型,消除系统的非线性因素和实现各通道解耦,并结合无人机飞行控制时频域控制需求,给出了样例无人机过载和滚转角控制外回路设计结果。样例无人机非线性环境中的仿真结果表明:基于动态逆的滚转角和过载控制器的时频域品质能满足无人机的飞行控制需求。     

基于滑模的空中加油受油机会合制导与控制

为实现空中加油过程中受油机与加油机自主会合,建立满足会合要求的滑模控制面,设计相应制导律.根据受油机与加油机相对位置与速度得出受油机前向加速度指令.基于六自由度受油机动力学模型,采用时标分离将受油机的角运动系统分为快慢回路,采用动态逆方法分别进行系统设计和设计满足追踪会合要求的速度控制律,并以无人机自主跟踪加油机实现会合为例进行仿真.结果表明:该系统能引导受油机实现与加油机的会合,具有良好的动态性能.     

针对高速机动目标的三维非线性微分对策制导律

为有效拦截高超声速飞行器,提出了一种基于预测控制的三维微分对策制导律。该制导律将高速机动目标拦截末制导过程抽象为以视线角速率和燃料消耗为性能指标的零和微分对策问题,以非线性模型预测控制为框架,采用梯度下降法实时求解决策约束型有限时域微分对策,得到最优决策。该制导律能够在满足动态系统高维非线性、机动能力和燃料消耗等要求下,实现对目标的精确拦截; 在与比例导引律燃料消耗相当的情况下,具有末端弹道平直、制导精度高等优点。     

基于模糊多模型结构的飞行控制系统执行器故障诊断

为了解决一类飞行控制系统执行器故障诊断问题,本文将Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型与多模型技术相结合,提出了一种模糊多模型方法。该方法的特点是:利用T-S模糊模型对非线性系统进行描述、建模;根据特定的故障,利用多模型技术建立了局部自适应未知输入观测器。通过所提出的诊断方法,当飞行控制系统的执行器发生故障时,故障参数能被在线逼近,使所设计的模糊自适应未知输入观测器模型与系统故障状态匹配,从而达到故障检测的目的。利用某飞机模型进行的仿真,表明了本文方法的有效性。