Output Feedback Dynamic Surface Controller Design for Airbreathing Hypersonic Flight Vehicle

This paper addresses issues related to nonlinear robust output feedback controller design for a nonlinear model of airbreathing hypersonic vehicle. The control objective is to realize robust tracking of velocity and altitude in the presence of immeasurable states, uncertainties and varying flight conditions. A novel reduced order fuzzy observer is proposed to estimate the immeasurable states. Based on the information of observer and the measured states, a new robust output feedback controller combining dynamic surface theory and fuzzy logic system is proposed for airbreathing hypersonic vehicle. The closedloop system is proved to be semi-globally uniformly ultimately bounded (SUUB), and the tracking error can be made small enough by choosing proper gains of the controller, filter and observer. Simulation results from the full nonlinear vehicle model illustrate the effectiveness and good performance of the proposed control scheme. © 2014 Chinese Association of Automation.

Adaptive dynamic surface control for air-breathing hypersonic vehicle

This paper describes an adaptive control approach for an air-breathing hypersonic vehicle. The control objective is to provide robust altitudes and velocity tracking in the presence of model uncertainties and varying disturbances. A fuzzy-neural disturbance observer is developed to estimate uncertainties and disturbances, and the adaptive controller is synthesized by the dynamic surface approach combing with the observer. The tracking error at the steady state can be guaranteed to converge to inside of a small residue set which the size of the set can be an arbitrary small value. Simulation results demonstrate the effectiveness of the presented approach.

时变状态约束下四旋翼无人机轨迹跟踪控制

针对外界扰动、模型不确定性以及时变状态约束情况下的四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题,设计了基于神经网络的自适应动态面控制方案。首先通过非线性变换将四旋翼无人机位置约束问题转换为新状态量的有界问题,采用神经网络对系统中的不确定项进行估计,在此基础上分别设计了位置和姿态自适应动态面控制率,并给出了该控制系统稳定性证明。最后设计了仿真试验,分别采用PD控制方法以及动态面控制方法与所设计的自适应动态面控制方法进行对比,结果验证了所设计控制方案的有效性和优越性。仿真结果表明,所设计的控制方案能够保证四旋翼无人机对期望位姿的稳定跟踪,无人机位置状态始终处于期望的时变约束范围之内。且相较于动态面控制方法,该控制方案对外界扰动、模型不确定性具有更好的抑制效果。

偏最小二乘法在气动数据建模中的应用

探索将偏最小二乘方法推广应用于带翼轴对称飞行器的气动特性建模这一多变量非线性复杂气动问题,从已有的轴对称飞行器气动力数学模型出发,利用交叉校验法确定模型中的成分数,建立泛化能力较强的偏最小二乘数学模型。此后以某轴对称飞行器滚转舵偏时的法向力建模和三个舵面都偏转时的轴向力建模为算例来对建模方法的有效性进行分析,并与正交最小二乘方法的建模结果进行对比。结果表明:将偏最小二乘法应用于气动特性建模是可行的,且其建模效果整体上优于正交最小二乘法,在工程上有较好的应用前景。

含LESO的高超声速飞行器动态面控制

针对含模型不确定性和外部扰动的高超声速飞行器(HFV)巡航飞行的控制问题,提出一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的动态面控制方法。首先,建立高超声速飞行器的纵向运动模型,并采用非线性动态逆(NDI)技术实现了飞行器速度和高度通道的解耦;其次结合传统反演设计方法,采用基于反双曲正弦函数的跟踪微分器(IHSTD)求取虚拟控制量的微分信号,避免了"微分爆炸"的问题;然后设计了LESO,能够实现对模型不确定项和外部扰动组成的"总和扰动"的精确估计,进而在控制器中动态补偿,大幅增强了系统的扰动抑制能力;最后,采用Lyapunov稳定性理论对所提出的控制方法进行了稳定性分析。本文所提出的控制方法保证了系统的渐近稳定性和较强的鲁棒性,仿真结果校验了本文所设计控制器的有效性。

无人机螺旋自主认知与改出控制器设计

针对飞行器螺旋改出难题,研究无人机螺旋自主认知与改出控制方法。首先建立基于飞行状态认知的无人机安全控制框架,在此基础上进行无人机螺旋认知与改出控制器设计,分析螺旋成因,根据机载传感器提供的实时飞行参数信息,采用直觉模糊统计判决与决策算法进行螺旋自主认知,最后考虑状态变量控制时序,并设计非线性动态逆控制律,完成无人机螺旋改出的制导控制。仿真结果表明,相对于已有解决策略,所提出的控制方法可以显著缩短螺旋改出所需时间,同时具有较好的动态响应特性。

绳系拖曳飞行器高抗扰轨迹跟踪控制

针对受未知风扰动作用下的绳系拖曳飞行器轨迹精确控制问题,设计了一种基于最小学习参数神经网络估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法。首先,结合绳系拖曳系统多刚体动力学模型,构建拖曳飞行器六自由度非线性模型,并完成其仿射非线性化处理。其次,考虑到拖曳飞行器可能受到前方飞机尾涡、紊流和阵风等未知气流及不可测量瞬变缆绳拉力等扰动的综合影响,构建了基于最小学习参数神经网络的拖曳飞行器状态/扰动在线估计器,以准确重构系统不可测量集总扰动。然后,基于所提状态/扰动在线估计器,设计了一种基于最小学习参数神经网络状态/扰动在线估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法,并分析了系统稳定性。最后,仿真表明,所提方法能够在多重气流扰动下实现拖曳飞行器位置稳定和机动轨迹跟踪。

基于滑模观测器和干扰观测器的弹性高超声速飞行器控制

研究了基于滑模观测器和干扰观测器的弹性高超声速飞行器纵向通道控制。首先,利用可测飞行高度、俯仰角速率估计误差设计滑模观测器,重构未知攻角、航迹角;其次,设计干扰观测器估计包含弹性耦合和阵风等外部干扰的集总扰动;再次,将高超声速飞行器纵向通道模型分为速度、高度2个功能子系统,采用基于反步法的动态逆方法,避免系统复杂度爆炸问题,设计舵面偏角和燃油当量实现对期望高度和速度信号的有效跟踪;最后,通过仿真测试验证该方法的有效性。

非最小相位高超声速飞行器自适应动态面控制

研究存在参数不确定和非最小相位特性的吸气式高超声速飞行器的控制律设计问题.通过深入分析被控对象的动力学特点,提出了一种新型设计思想.将系统分为速度子系统和俯仰动力学子系统分别进行设计.针对速度子系统,设计自适应动态逆控制;针对非最小相位俯仰动力学子系统,设计高增益自适应动态面控制.稳定性分析表明,系统的跟踪误差是一致最终有界的,其它状态是有界的.最后的数值仿真验证了该方法的有效性.

折叠翼飞行器发射段鲁棒非线性控制系统设计

为解决折叠翼飞行器在发射段各项特性变化较大、对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题,设计了一种以块控反步法为基础的自适应鲁棒非线性控制器。在发射段动态模型基础上,该控制器采用径向基函数(RBF)神经网络自适应逼近飞行器特性变化时的系统未知不确定性和干扰,通过在虚拟控制律中引入动态面控制技术避免多重微分运算,克服了传统反步法所带来的"项数膨胀"问题。利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统有界且跟踪误差指数收敛于零的一个小邻域。在考虑未知不确定性的情况下,对某型折叠翼飞行器进行的6自由度(DOF)飞行仿真结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。