Robust parametric approach for tracking control of an air-breathing hypersonic cruise vehicle

To realize the stabilization and the tracking of flight control for an air-breathing hypersonic cruise vehicle, the linearization of the longitudinal model under trimmed cruise condition is processed firstly. Furthermore, the flight control problem is formulated as a robust model tracking control problem. And then, based on the robust parametric approach, eigenstructure assignment and reference model tracking theory, a parametric optimization method for robust controller design is presented. The simulation results show the effectiveness of the proposed approach.     

高超声速飞行器的滑模边界层模糊自适应控制方法研究

针对高超声速飞行器飞行过程中存在的高度非线性、强耦合、参数不确定性等问题提出了一种基于滑模边界层模糊自适应的控制方法;首先将纵向模型进行精确线性化,通过引入一个滑模边界层可调参数,在边界层外施加基于正切趋近律的准滑模控制律;在边界层内,去掉准滑模控制律,采用饱和函数法设计的控制律;边界层参数用模糊逻辑系统进行在线调节,从而消除了系统处于准滑动模态时的高频抖振;仿真结果表明:该方法在保证控制系统具有良好跟踪性能的同时,具有削弱抖振的能力和强鲁棒性。     

高超声速滑翔飞行器全程总红外辐射最小的轨迹优化（特邀）

为降低高超声速飞行器再入过程中,产生的气动热辐射对红外探测窗口性能的影响,从轨迹优化的角度,以再入飞行全程驻点总红外辐射为目标函数,提出了一种基于改进鲸鱼优化算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)的高超声速飞行器轨迹优化算法。首先,通过Tent混沌映射和控制因子余弦变化改进WOA,改进算法位置更新时的位置指向性,增强算法全局搜索能力;同时,将再入轨迹优化问题转化为控制量剖面参数优化问题,采用倾侧角一次翻转策略,利用普朗克公式计算驻点红外辐射,并设计目标函数,利用阻力加速度再入走廊处理路径约束,采用罚函数法将终端约束同目标函数相结合;最后,利用改进的WOA对设计的控制量剖面进行参数寻优,获得使目标函数最优的解。仿真实验表明: 文中改进的WOA能够有效完成全程总红外辐射最小的再入轨迹优化任务,全局搜索能力强,且具有较好的鲁棒性。     

连续时间多胞线性变参数系统变增益H∞/H2输出反馈控制

针对一类同时具有参数不确定性和外界干扰的非线性系统,提出了一种连续时间多胞线性变参数(LPV)系统变增益H_∞/H_2输出反馈控制方法.首先,对连续时间多胞LPV系统的变增益混合目标(H_∞/H_2指标和区域极点约束)输出反馈控制器综合方法进行了数学描述;其次,引入新的结构化松弛矩阵变量和参数依赖Lyapunov函数,将满足期望性能的混合目标鲁棒动态输出反馈控制问题转化为线性矩阵不等式框架内的有限维凸优化问题,进一步降低了所设计LPV控制器的保守性.最后,以四分之一车辆模型主动悬架系统为研究对象进行仿真,仿真结果验证了本文控制器的有效性.     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

为提高高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题求解速度和精度，提出了一种将改进的麻雀智能优化同参数化设计相结合的再入轨迹方法。首先，通过Tent混沌映射和精英反向种群方法初始化种群，利用黄金正弦策略进行种群的位置更新，并通过余弦策略减少侦察者数量，采用贪婪策略对种群的最优解进行选择和更新，在增强算法全局搜索能力的同时，不影响收敛速度。然后，将高超声速再入轨迹优化问题转化为攻角剖面和倾侧角剖面的参数化设计问题，将路径约束转化为阻力加速度再入飞行走廊，保证再入过程中始终满足路径约束，利用罚函数法处理终端约束，从而使得飞行器精确命中目标。最后，采用改进的麻雀智能优化算法对设计参数进行寻优，使得目标函数最优。仿真实验表明：本研究所提出的改进麻雀算法相较于原始麻雀算法、鲸鱼算法和粒子群算法收敛速度快，得到的高超声速滑翔飞行器再入轨迹精度有了进一步的提高；蒙特卡洛仿真实验说明，本研究所提出的高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化算法具有一定的鲁棒性。     

不完全先验信息条件下的可靠性评估

小子样产品可靠性的Bayes评估中通常需要用到主观经验信息,如可靠度均值或可信区间等,这些信息属于不完全先验信息,利用这些信息通常无法确定可靠性分布函数。基于Bayes理论,以贝塔分布作为先验分布类型,利用最大熵原理将不完全信息转化为完全型先验信息,得到产品可靠性的先验分布,再结合观测数据,利用Bayes公式得到产品可靠性后验分布。从仿真算例可以看出,给出的方法能够有效地处理不完全先验信息,提高产品可靠性评估的效率。     

考虑约束的卫星抗扰反步姿态控制

针对具有不确定性、外干扰及饱和约束的卫星非线性姿态跟踪问题, 将约束反步法与状态观测器相结合, 提出分块自适应抗扰反步控制器。卫星模型由修正罗德里格参数进行描述。利用带参数投影的非线性扩张状态观测器对时变的“总干扰”项进行在线估计补偿, 以提高反步控制器的鲁棒性。在设计反步控制器时, 引入指令滤波器和修正跟踪误差信号以施加系统状态和执行器的饱和限制, 同时较容易获得虚拟控制导数, 并且放宽了干扰估计律投影算子的投影集范围。Lyapunov理论证明了闭环系统在非线性阻尼的作用下输入-状态稳定。对比仿真表明, 与传统自适应反步法相比, 所提出的控制器具有更高的姿态跟踪性能和干扰估计精度。     

高超声速飞行器鲁棒多目标线性变参数控制

针对具有“乘波体”构型的吸气式高超声速飞行器纵向飞行姿态控制问题,提出了一种基 于区域极点配置的鲁棒多目标线性变参数（LPV）控制系统设计方法。给出吸气式高超声速飞行器纵向非线性机理模型,在此基础上建立了刚性LPV模型;针对此类LPV模型,提出了基于区域极点配置的LPV状态反馈控制系统设计方法,将系统的鲁棒稳定性、干扰抑制、跟踪性能等性能指标通过扩展线性矩阵不等式约束的方式,实现了LPV系统的多目标鲁棒跟踪控制。同时,通过引入松弛变量的方法,解除了Lyapunov函数矩阵与系统矩阵之间的耦合影响,从而降低了控制系统设计的保守性,得到了满足期望性能要求的LPV状态反馈鲁棒跟踪控制器。所设计的控制器应用于高超声速飞行器的非线性机理模型进行数值仿真验证,仿真结果表明：所设计的控制器能够使得闭环反馈控制系统有效地跟踪指令信号变化,系统动态性能良好且具有较强的抗干扰能力。     

主-从式多弹头协同攻击建模及输出一致性

随着反导系统拦截概率与拦截效率越来越高,单枚弹道导弹突破反导系统实现打击任务的概率在逐渐降低,多弹道导弹协同攻击应运而生.自由飞行段的多弹道导弹易于实现协同攻击,导弹在此阶段也称为弹头.为解决多弹道导弹自由飞行段多弹头协同攻击的建模及输出一致性问题,考虑多弹头协同攻击要求及特点,首先建立了多弹头自由飞行段三维空间运动非线性状态空间模型,详细分析了该模型的特点以及模型非线性动态对多弹头协同攻击带来的挑战.针对上述挑战,为实现主-从式多弹头协同攻击体系的输出一致性,应用输入输出反馈线性化控制方法,设计了一类从弹弹头协同加速度指令信号,并通过详实的数值仿真验证所设计指令信号的有效性.仿真结果表明,沿主弹弹头发射坐标系各轴向均实现了给定性能要求下的主-从式多弹头协同攻击体系的输出一致性,主弹弹头速度变化越快、收敛系数的实部模值越大,速度跟踪误差收敛速度便越快,速度跟踪误差也越小,输出一致性的性能也更好.     

高超声速飞行器有限时间LPV滑模控制器设计

高超声速飞行器在机动飞行时易受到外界扰动,若采用传统的状态反馈控制方法,闭环控制系统极易引起振荡,无法满足机动飞行指令信号跟踪的精度要求;若采用传统的滑模控制方法,由于系统存在奇异值的问题,且计算过程较为复杂,控制系统不易于实现.针对上述问题,考虑高速机动飞行控制实际要求,提出了一种基于有限时间时变滑模的线性变参数(LPV)控制器设计方法并应用于高超声速飞行控制.首先不考虑外界扰动,通过传统的状态反馈控制方法使系统保持稳定.然后,在扰动存在的情况下,通过选取一个特殊的滑动函数,设计有限时间时变滑模控制律.为减小系统的抖振现象,引入饱和函数来替换控制律中的符号函数.经理论推导证明了闭环系统中的所有信号都是有界的,并且可以在预定的时间内将跟踪误差控制在零点的一个很小的邻域范围内.仿真验证结果表明,高超声速飞行器机动飞行条件下的状态量可在有限时间内稳定跟踪参考指令信号,且有效地抑制了闭环系统的振荡现象,验证了本方法所设计控制器的有效性.