基于积分滑模控制的飞行器主动容错控制技术研究

基于容错控制和积分滑模控制理论的研究,对飞行器姿态进行控制,使其具有容错性能。飞行器模型考虑一类具有不确定性以及可能存在执行器故障的非线性系统,针对该系统设计积分滑模控制器,使系统即使在执行器故障情况下也能保持较理想的控制特性。同时也对该系统分别设计基于Lyapunov直接法和常规滑模理论的控制器,便于仿真验证中作为比较。在有无执行器故障的情况下,观察3种控制对状态变量的影响效果,比较常规滑模和积分滑模控制下的抖振情况,结果表明积分滑模控制在控制效果和减弱抖振方面表现更好。     

基于扩张状态观测器的管桩自动焊接机滑模控制

针对管桩自动焊接机中齿轮传动结构带来的齿隙非线性问题，文中提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器设计方法。将非线性、时变齿隙模型等价为全局线性化模型，并证明建模误差上限有界。基于该模型，考虑到输入齿隙未知以及外界干扰未知的情况，文中分别设计了滑模控制器和基于扩张状态观测器的改进滑模控制器。前者能够渐进稳定的跟踪输入信号，抗干扰能力强，但存在较大抖振；后者利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器，在保证跟踪误差在期望精度范围的同时减少了抖振，便于工程实现。仿真实验证明了相较于传统滑模控制器，基于扩张状态观测器的改进滑模控制器系统到达滑模面的速度更快、抖振更少。     

基于NDO的单向辅助面滑模飞行控制

针对存在建模误差和外界干扰等不确定因素的飞行姿态系统,使用单向辅助面滑模控制与非线性干扰观测器(NDO)相结合的方法设计控制器。采用单向辅助面滑模控制方法设计标称系统控制器,而对于系统中的不确定性和扰动则利用NDO进行逼近,并将NDO的输出用于设计鲁棒补偿控制项,所设计的控制器可以有效削弱抖振且能够显著提高收敛速度。最后通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性,仿真结果也体现了良好的控制效果。     

四旋翼无人机SO(3)快速终端滑模姿态控制器设计

为实现四旋翼大姿态角快速跟踪控制,在SO(3)空间中设计了一种非奇异快速终端滑模控制器,所设计的控制具有较为简洁的结构,避免了欧拉角姿态表示奇异及局部线性化的问题。改进的趋近律可加速系统远离滑模态的趋近速度且能有效去除抖振;通过Lyapunov稳定性理论对所设计的控制器进行了严格的稳定性证明;最后进行了姿态控制仿真,结果表明姿态跟踪迅速、精度高且抖振小。     

BTT导弹再入飞行滑模控制器设计研究

针对导弹再入段的非线性模型以及三通道问的较强耦合,给出了倾斜转弯BIT导弹再入飞行鲁棒控制方法.在给定可用制导指令和干扰、不确定性的上界条件下,综合利用快慢双回路连续滑模控制方法,生成气动舵面的控制指令,得到了在建模误差和外界干扰存在的情况下拥有高精度、鲁棒性和解耦特性的气动角和姿态角速率跟踪结果.采用了两种方法抑制滑模的抖振现象:一是构筑滑模干扰观测器,自适应调节增益;二是利用高阶滑模控制方法,有效消除了控制抖振,保证了工程实际应用的能力.以某型BTT导弹为例,仿真结果表明,在考虑到模型不确定性、风扰动以及测量噪声的情况下,两种方法均可靠,满足再入控制的要求.     

指数趋近律单向辅助面滑模控制

结合指数趋近律,对一种新型单向辅助面滑模控制方法进行了讨论。首先根据给定的非线性系统方程设计切换面,并在状态约束条件下设计单向辅助面;之后依据单向辅助面滑模控制器设计方法,设计基于指数趋近律的单向辅助面滑模控制器,且指出系统状态在有限时间内收敛到切换面上,并给出收敛时间计算式;最后通过实例仿真验证,基于指数趋近律的单向辅助面滑模控制器不仅能有效抑制系统中的抖振,而且收敛速度快于普通单向辅助面滑模控制方法。     

指数趋近律单向辅助面滑模控制

结合指数趋近律,对一种新型单向辅助面滑模控制方法进行了讨论。首先根据给定的非线性系统方程设计切换面,并在状态约束条件下设计单向辅助面;之后依据单向辅助面滑模控制器设计方法,设计基于指数趋近律的单向辅助面滑模控制器,且指出系统状态在有限时间内收敛到切换面上,并给出收敛时间计算式;最后通过实例仿真验证,基于指数趋近律的单向辅助面滑模控制器不仅能有效抑制系统中的抖振,而且收敛速度快于普通单向辅助面滑模控制方法。     

高超声速飞行器超螺旋滑模自适应控制

针对具有强耦合性、严重非线性等特性的高超声速飞行器控制问题,提出了一种改进的自适应二阶滑模控制方法。首先,在高超声速飞行器纵向模型中加入不确定因素,建立了具有参数不确定性、模型不确定性以及干扰的控制模型;其次,在所建立模型的基础上,利用类二次型Lyapunov函数设计了基于super-twisting算法的二阶滑模自适应控制器;最后,仿真结果表明,对具有未知上界不确定性的系统,该方法设计的控制器较普通二阶滑模控制器,有更好的跟踪效果以及鲁棒性。     

空天飞行器姿态运动的模糊滑模鲁棒控制研究

针对空天飞行器(ASV)的姿态系统的非线性、强耦合和不确定性,提出了一种分散模糊滑模变结构控制方法.首先基于反馈线性化方法将ASV姿态系统解耦成3个独立的子系统;然后应用模糊滑模变结构控制方法分别设计了各子系统的姿态控制器.通过结合模糊控制与滑模变结构控制,有效抑制了ASV姿态系统的建模误差以及外部干扰.理论分析和仿真研究表明,所提方法具有控制精度高、鲁棒性强、便于工程实现等优点.     

超机动飞行快回路的自适应模糊滑模控制

针对超机动飞行快回路的不确定非线性模型,提出了一种利用自适应模糊滑模控制器算法。在所得的最终控制信号中,采用模糊逻辑系统来逼近未知系统函数和开关项;所设计的鲁棒自适应律用来减小逼近误差,从而有效降低抖振。仿真结果表明,所设计的控制律能在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,确保系统具有良好的动态和稳态性能,而且控制器具有很强的鲁棒性。     

改进滑模控制器在无人直升机控制系统中的应用

无人直升机作为一种特殊的无人飞行器,有着相当广阔的应用前景。由于无人直升机是一个多变量的非线性控制系统,并且存在诸多不确定性,也是目前研究的难点。在建立无人直升机数学控制模型的基础上,首先设计了一般滑模变结构控制器,并针对一般滑模控制器所产生的抖振现象,设计了基于趋近律的滑模控制器,最后进行了仿真对比实验。实验结果表明,该控制器在总距俯仰角控制方面较其他控制器有更好的跟踪效果,且很好地消除了抖振,从而确保了滑动模态的动态品质。     

电子节气门超扭曲算法无抖振控制器设计

由于电子节气门控制系统存在非线性、不确定性和扰动等特点,控制变量会产生抖振现象。针对这一问题,设计了新型稳定性收敛滑模函数,同时利用状态估计器预测状态变量和扰动,并结合超扭曲控制算法设计无抖振控制器。仿真实验结果证明,该控制器能有效抑制抖振,与滑模方法相比稳态控制精度提高65.38%,同时有信号跟随性优良等优点。     

动中通多子阵天线自适应PID滑模稳定控制

动中通在载体运动中进行卫星通信时,天线受到各类扰动的影响而不能准确对准卫星,降低了通信质量。为了解决此问题,设计了一种自适应滑模天线姿态稳定控制器。首先建立了动中通天线系统的动力学模型;基于此模型,采用PID滑模面设计了天线的滑模姿态控制器;通过对扰动的自适应估计,在扰动上界未知情况下获得了平滑的滑模控制输入;将PID方法引入控制器设计,提高了系统的动态响应速度。仿真结果表明,所设计控制器具有良好的动态响应特性和控制精度,且控制电压输出无抖振。     

干扰观测器补偿的四旋翼飞行器自适应离散终端滑模控制

传统的离散线性滑模应用于四旋翼飞行器控制具有跟踪误差大、响应速度慢、不能有限时间收敛等问题,针对具有外干扰、系统不确定和建模误差的四旋翼飞行器,提出了干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制。首先,对一类包括四旋翼飞行器模型的离散化方程推导了终端滑模控制律,引入自适应律因子减小抖振,构造了以状态变量的平方作为干扰误差收敛速度的改进型离散干扰观测器,且证明了它的稳定性,再利用改进的离散干扰观测器获取未知干扰、不确定和建模误差的高精度估计,并用于控制器设计补偿项,提高鲁棒性和减小稳态误差,再对整个系统的稳定性做了严格的证明。最后将提出方法用于四旋翼飞行器控制,Matlab仿真分析表明,干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制比离散终端滑模等其他控制方法具有响应时间更快、跟踪效果更理想、鲁棒性更强等特点,实现了在不确定干扰的情况下飞行器姿态的稳定控制。     

基于观测器的四旋翼飞行器自适应滑模姿态控制

针对存在建模不确定性和外部干扰时四旋翼飞行器的姿态控制问题,提出一种基于观测器的自适应滑模控制算法。在建立四旋翼飞行器姿态误差动力学模型的基础上,通过全局渐近收敛观测器获取系统的未知状态反馈量,利用自适应滑模控制抑制系统的不确定性和干扰,构建一种基于观测器的自适应滑模姿态控制器。基于Lyapunov的稳定性分析表明,该方法的跟踪误差是一致最终有界的。数值仿真实验结果表明,与现有滑模控制方法相比,所提方法具有更好的姿态跟踪性能和较高的抗干扰鲁棒性,能有效保证飞行器的姿态跟踪控制性能。     

基于积分滑模和ESO的四旋翼无人机容错控制

针对四旋翼无人机桨叶损伤故障的位置和姿态控制问题,设计一种基于积分滑模法和扩张状态观测器(ESO)的四旋翼无人机主动容错控制系统.建立了执行机构损伤故障下的无人机非线性模型,采用抗干扰能力较强的滑模控制法(SMC)设计姿态内环和位置外环基本控制器;为减小系统的稳态误差,引入积分环节,构造出积分滑模控制器;通过采用边界层方法,抑制滑模控制算法本身的抖振效应;利用ESO实时估计出系统的内、外总扰动和执行机构损伤干扰并对控制量进行补偿.李雅普诺夫稳定理论验证了该控制系统能够快速收敛达到稳定,数值仿真验证了所设计控制系统的有效性和鲁棒性.     

基于自抗扰技术的四旋翼姿态解耦控制方法

针对小型四旋翼飞行器姿态控制问题,基于姿态非线性耦合数学模型,设计了一种自抗扰姿态控制器。引入自抗扰控制技术,介绍了自抗扰控制器结构,包括安排过渡过程,扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈。针对模型非线性耦合特点,介绍了多变量系统的自抗扰解耦控制原理,并设计了一种自抗扰姿态解耦控制器。基于Simulink搭建仿真模型进行了仿真。参数整定及仿真结果表明,所设计自抗扰控制器具有强鲁棒性、抗干扰性,系统具有良好的动态性能和稳态性能,对非线性耦合系统能有效地控制。     

基于幂次趋近律的单向辅助面滑模控制

针对连续非线性系统, 采用一种基于幂次趋近律的单向辅助面滑模控制方法。首先依据给定的连续非线性系统, 设计单向辅助面滑模控制器, 并在此基础上, 引入了幂次趋近律, 设计基于幂次趋近律的单向辅助面滑模控制器, 且给出稳定性和有限时间收敛的理论证明。该方法能够确保系统状态在切换面附近的趋近速度, 即当且仅当系统状态位于原点处时趋近律为零, 较好地削弱了系统抖振。最后, 通过实验仿真, 验证了该方法的有效性。     

基于超扭曲算法的鲁棒自适应四旋翼控制器

针对四旋翼在存在外部未知干扰及具有模型不确定性情况下的姿态控制问题,设计一种基于超扭曲算法的鲁棒自适应四旋翼控制器.该设计方法将超扭曲算法与鲁棒自适应控制结合,使用超扭曲算法抑制系统抖振现象,鲁棒自适应算法能有效补偿系统模型的不确定性,增强系统的抗干扰性能;构造Lyapunov函数,证明四旋翼飞行器闭环系统的稳定性.对所设计的控制器进行仿真,搭建四旋翼飞行器平台进行飞行实验,以验证设计的控制器.仿真结果表明,基于超扭曲算法控制的四旋翼系统具有较快的收敛速度和较强的鲁棒性,飞行实验验证了所提控制策略的可行性,可实现四旋翼的稳定控制.     

微型四旋翼飞行器TSMC控制方法研究

针对微型四旋翼飞行器非线性动力学模型下姿态稳定和速度跟踪控制问题,基于全局快速终端滑模控制(TSMC-terminal sliding mode control)方法研究了控制器设计。通过引入等价控制输入,将姿态控制通道解耦并分别设计了姿态稳定TSMC控制器。对速度跟踪和高度跟踪控制,在保证高度跟踪控制稳定的基础上设计了保证速度跟踪的耦合控制器。姿态稳定和速度跟踪仿真验证了设计控制器的性能。