带有指令滤波器的模糊反步自适应控制

针对固定翼飞行器在飞行控制过程中存在的状态受限以及执行器物理特性限制等问题,提出了一种带有指令滤波器的反步模糊自适应控制器。首先,建立带有误差项的MIMO严反馈系统;其次,建立模糊系统在线逼近子系统误差项,基于Backstepping法对每一个子系统设计虚拟控制律;再次,考虑状态受限和执行器的物理特性(包括幅值和速率受限),将设计的虚拟控制律通过引入幅值、速率和带宽限制的指令滤波器,对滤波误差项进行补偿;最后,运用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邻域内。仿真结果表明,设计的控制器具有很强的稳定性和鲁棒性。

基于指令滤波器的变体飞机RHO控制器设计

为了确保变体飞机在变体过程中的飞行稳定性,提出了一种基于指令滤波器的滚动时域优化(RHO)控制器设计方案。使用雅克比线性化方法对变体飞机非线性方程进行线性化得到线性化模型。将指令滤波器写成状态空间的形式,基于飞机、指令滤波器和积分跟踪误差的状态方程得到一个增广状态方程。通过对两个黎卡提微分方程进行反向积分得到控制器增益,在有限滚动时域内实时计算得到控制量。从控制系统仿真结果可以看出,航迹倾斜角和飞行速度都能够较好地跟踪指令信号,基本不受变体速率的影响,飞行控制系统满足实时性和鲁棒性的要求。

基于扩张状态观测器和指令滤波器的导弹姿态控制

针对包含气动参数摄动及执行机构故障等多源不确定性的导弹系统,设计了一种基于扩张状态观测器和指令滤波器的姿态控制方法。该方法通过扩张状态观测器估计系统不确定量,并将不确定量的估计值反馈到控制律中,通过反步法的递归形式补偿各个子系统中的不确定性;同时采用指令滤波方法,得到内回路的跟踪指令及其一阶微分信号,避免了传统反步法"微分膨胀"的问题。仿真结果表明,该方法具有良好的抗干扰和容错性能。

高超声速飞行器指令滤波反演控制

针对含有不确定扰动项的吸气式高超声速飞行器纵向非线性模型,提出了一种基于指令滤波器的反演控制方法。将飞行器动力学模型划分为航迹角子系统和速度子系统并表示为严格反馈形式,采用动态逆方法设计反演控制中每步的虚拟控制量,并对指令滤波过程中产生的误差进行补偿。利用指令滤波器获取虚拟控制量的一阶导数,解决了反演控制方法中的"微分项膨胀"问题,同时引入虚拟控制量和实际控制量的幅值、速率和带宽约束。采用扩展状态观测器(ESO)对模型中的不确定项进行估计和补偿,保证闭环系统在存在参数不确定和外部扰动的情况下仍具有良好的控制性能。仿真结果表明,在飞行器总体参数和气动参数存在偏差的情况下,该方案能够实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。

带有指令滤波的孤岛分布式能源系统反步控制

针对分布式能源(DER)的微电网系统处于孤岛运行模式时,因负载产生扰动导致输出电压难以保持稳定的问题,设计了一种基于矢量控制的指令滤波反步控制器;给出了孤岛DER系统的结构及数学模型,对该模型利用反步法设计了控制器,并加入指令滤波器,意在解决反步控制中的计算膨胀问题;利用Lyapunov稳定性定理验证了系统的稳定性,并通过仿真观察此控制器在不同负载情况下的控制效果。仿真结果显示,系统的输出电压在不同类型负载情况下都能对参考电压保持良好的跟踪,验证了此控制器的有效性。

自储能多端背靠背柔直投影自适应指令滤波反推控制

为提高自储能多端背靠背柔直系统控制性能,提出一种自储能多端背靠背柔直投影自适应指令滤波反推控制算法。首先建立系统数学模型,分析系统的工作原理。然后采用反推法设计系统控制器,实现直流电压的稳定和有功无功功率的快速独立控制,同时引入约束指令滤波器来解决反推控制的微分膨胀和控制饱和问题,并设计补偿信号解决滤波器的误差问题,引入自适应投影算子保证系统对不确定参数的鲁棒性,基于Lyapunov稳定性理论设计系统的控制律,提高系统的抗干扰能力,实现整个系统的渐进稳定。最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,与传统PID控制算法、指令滤波反推算法进行比较,仿真结果表明投影自适应指令滤波反推控制具有更好的鲁棒性与动态响应性能。

基于指令滤波反演的虚拟同步电机控制策略

针对传统分布式能源和微网中逆变器缺少惯性,以及当受到大功率扰动时缺乏稳定性的问题,提出了一种能够同时运行在孤岛、并网模式的非线性控制策略,且在电网并、离过程中不需要任何的预同步操作。首先,采用带储能的光伏系统向交流侧传输功率,稳定直流母线电压;在系统交流侧,引入模拟惯性和阻尼的同步电机转子摇摆方程,推导出相应的数学模型。其次,运用反步法设计控制器,针对反步法中计算膨胀和控制器饱和问题,采取指令滤波器处理。最后,利用Lyapunov稳定性定理验证系统的稳定性,并利用仿真观察控制器在不同模式下的运行状况。仿真结果表明,当系统受到突发性、强瞬变扰动时,所提出的控制方案能够在并网、孤岛和过渡模式下实现微网系统的稳定运行。

风扰动下固定翼无人机指令滤波反步着陆控制

针对存在模型不确定性及风干扰时的固定翼无人机纵向着陆控制问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器的指令滤波反步控制方案。首先建立了风干扰下的无人机动力学模型。然后将无人机的高度和空速分开控制,利用反步法求取控制信号,并设计有限时间扩张状态观测器对复合干扰进行估计;同时,引入指令滤波器以避免传统反步法中的“微分爆炸”问题。最后通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所提出的控制方案能够实现对空速指令及高度指令的稳定跟踪,对模型不确定性及风干扰具有较好的鲁棒性。

基于指令滤波的直驱永磁风机自适应有限时间反推控制

为解决额定风速以下直驱式永磁同步风力发电系统最大功率跟踪控制问题,提出一种基于有限时间指令滤波的自适应反推控制器。建立了直驱式永磁同步风力发电系统的动力学模型。引入高阶滑模微分器作为指令滤波器,并设计滤波补偿信号,解决了传统反推法中“计算爆炸”和控制器饱和问题,并保证有限时间收敛。使用自适应算法克服参数变化和系统未建模部分的影响,增强系统鲁棒性。利用Matlab/Simulink建立仿真模型,验证了控制器的有效性,与传统PI控制和反推控制器相比,克服了参数不确定性的影响,并具有更快的响应速度。

基于自适应指令滤波反推的多电机同步控制

在多电机系统中,电机在运行过程中发热会引起参数的变化。解决参数不确定性对控制的影响,对如何更好地控制多电机之间的同步,具有非常重要而现实的意义。针对地线巡检机器人多电机运行时,参数变化导致的速度不匹配问题,在相邻交叉耦合多电机同步控制结构的基础上,采用自适应反推控制算法,将其与指令滤波相结合,更好地提高了系统的抗扰动性能和同步性能,达到系统所需要的控制需求。在Simulink平台中对所设计的控制策略进行仿真并将其应用于工程项目中,结果表明该控制策略响应速度快,鲁棒性好,能有效地提高系统的抗扰动能力和同步性能。

基于指令滤波的直接自适应模糊控制

针对严格反馈型不确定非线性系统,提出一种基于指令滤波的直接自适应模糊控制方案。系统的未知非线性函数由模糊系统在线逼近,采用直接自适应模糊控制器,无需在线辨识控制对象的模型。通过设计指令滤波器对指令信号直接求微分,避免了对虚拟信号的反复求导。从而降低了控制器的复杂性,提高系统的控制性能。稳定性分析保证了闭环系统的所有信号都是有界的。仿真算例进一步验证了所提出设计方案的有效性。

过载指令约束下的导弹导引律设计

基于平面内的目标-导弹相对运动方程,采用指令滤波backstepping方法设计了一种过载指令约束下的平面导引律,同时考虑了导弹自动驾驶仪的二阶动态特性。依据制导系统主要状态变量响应特性要求将制导系统分为两个子系统。采用指令滤波backstepping方法基于零化视线角速率原则和目标-导弹相对速度小于一个负常数的原则分别对两个子系统进行导引律设计。指令滤波backstepping方法不仅能够有效地处理过载指令饱和约束而且克服了传统backstepping方法中"项数爆炸"的缺陷。在过载指令饱和且导弹自动驾驶仪存在较大滞后的情况下,针对视线方向施加控制和不施加控制两种情况进行了仿真,结果表明设计的导引律在拦截大机动目标时具有优良的性能。

基于NDO的ROV滤波反步轨迹跟踪控制

针对作业型遥控水下机器人(ROV)在轨迹跟踪过程中存在模型非线性、强耦合、模型参数不确定和外界干扰不确定等问题,提出一种基于非线性干扰观测器(NDO)的滤波自适应反步控制策略。使用NDO观测模型的不确定性和外界干扰,通过指令滤波器避免了直接对虚拟控制量解析求导的过程,利用自适应律补偿观测器观测残量。通过Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差系统的渐进稳定。仿真实验表明,设计的控制器能够实现精确的轨迹跟踪,具有较好的鲁棒特性。

具有未知谐波干扰的船舶动力定位自适应控制

针对具有未知谐波干扰的船舶动力定位控制问题,设计自适应干扰抵消控制策略。海洋环境扰动被表示为参数未知且系统矩阵所有特征值位于虚轴上外部系统的输出向量,构造观测器提供外部系统状态向量的在线估计值,使船舶扰动补偿转化为自适应控制问题。利用自适应动态面控制设计干扰抵消控制律,指令滤波器和辅助动态系统被引入降低输入饱和的影响。理论证明控制律能够使得船舶位置和航向角保持在期望值上,同时保证闭环动力定位控制系统所有信号一致最终有界。仿真结果验证了自适应干扰抵消控制的有效性。

部分约束下空中目标拦截制导控制一体化方法

针对拦截空中目标的场景,提出一种考虑攻击角度的制导控制一体化(integrated guidance and control,IGC)方法,同时考虑输入饱和以及攻角的约束问题。首先,在俯仰平面下对包含不确定性的系统进行了建模。基于反演法和指令滤波器,处理了攻击角度约束问题和执行器机械限制的输入饱和问题,设计了含误差积分反馈的补偿项以处理跟踪误差,引入了障碍Lyapunov函数将攻角约束在预设区间。基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性和变量的有界性,以及各约束条件的成立性。仿真实验表明,方法能够以预设角度有效拦截目标,过程满足对输入以及攻角的约束条件,同时具备较强的鲁棒性。

博弈机动突防制导控制方法

为提升高速导弹突防能力和打击精度,提出了一种高速导弹机动博弈突防策略。运用微分博弈理论对基于脱靶量的性能指标进行最小化设计,得到突防弹和拦截弹的博弈制导律。根据过载-攻角间数学关系,反解出攻角、滚转角指令。针对高速导弹控制系统非线性、强耦合问题,采用反步控制方法对其进行解耦控制,采用一阶指令滤波器求解虚拟控制指令的一阶导数,避免了反步控制方法中“微分项爆炸”问题。仿真结果表明,相比传统制导律突防弹脱靶量仅有米级的情况,采用博弈制导律的突防弹能够实现208 m的突防脱靶量,验证了所提算法的优越性;采用指令滤波反步法控制器的突防弹,能够实现对控制指令信号的良好跟踪,面临同等速度和过载性能导弹的拦截时,突防脱靶量可达156 m,同时具备对固定目标3 m的精确打击能力。

考虑输入受限的高超声速飞行器预设性能控制

针对考虑输入幅值与速率受限的高超声速飞行器跟踪性能问题,提出基于受限指令滤波器的预设性能控制方案。为了提高系统瞬态和稳态性能,设计预设性能反演控制器,并通过设计新的性能函数使得跟踪误差超调量更小。引入指令滤波器来处理反演控制器设计中难以求导的问题。针对输入受限问题,构造一种受限指令滤波器来约束系统控制律,保证控制输入满足幅值和速率的限制要求,并进行相应的理论证明。另外,考虑系统参数不确定性与外界干扰,采用线性扩张状态观测器进行观测并补偿。基于Lyapunov稳定理论证明系统的所有跟踪误差最终一致有界。通过仿真验证该方法的有效性。

基于Backstepping的高超声速飞行器鲁棒自适应控制

针对非线性、多变量、不稳定且包含不确定参数的高超声速飞行器模型,设计了高超声速飞行器的鲁棒自适应Backstepping控制器。采用指令滤波的设计方法,得到内回路的跟踪指令及其一阶微分信号,避免了虚拟控制信号需要进行复杂求导计算的困难。飞行器不确定参数采用自适应律在线调整,通过设计辅助滤波系统,并通过修改自适应律中跟踪误差的定义,消除由于期望控制信号不能完全执行所引起的跟踪误差的影响,保证了参数估计在控制信号约束情况下的顺利进行。仿真结果表明,所提出的设计方法不仅应用简单,且能保证高超声速飞行器在不确定参数存在情况下的闭环稳定及良好的跟踪控制性能。

控制受限的编队航天器鲁棒自适应控制

研究了考虑控制受限的编队航天器鲁棒自适应轨道跟踪控制问题。针对航天器编队飞行系统中控制受限、外部扰动和模型不确定性的情况,利用反步控制方法和指令滤波设计提出了一种鲁棒自适应控制策略。指令滤波器用于补偿控制受限对于控制器的影响,同时设计了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。和滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。仿真结果表明所设计的控制器既能实现高精度的编队飞行跟踪控制,又能保证控制受限的要求。

组合体航天器有限时间超螺旋反步姿态控制

针对服务航天器与非合作空间目标构成的组合体航天器的姿态控制问题,提出一种基于干扰观测器的有限时间控制策略。首先,设计一种改进的超螺旋干扰观测器对由非合作目标导致的较大转动惯量不确定性及外界干扰进行观测,并分析了观测误差的有限时间收敛特性;然后,结合反步法设计了有限时间姿态控制器,同时引入指令滤波器提高了反步法的控制性能;最后,通过数值仿真校验了所提算法的有效性。