控制输入受限无人机轨迹跟踪与防撞一体化导引控制

无人机在进行轨迹跟踪时需要考虑未知障碍物防撞约束和控制信号幅值约束等一系列问题以保障飞行安全。针对无人机平台在控制输入约束下轨迹跟踪与防撞一体化控制问题,以商业四旋翼平台为开发对象,采用非线性模型预测控制(NMPC)方法设计了轨迹跟踪导引控制器并进行改进以满足一体化控制需求。首先,通过对轨迹跟踪NMPC优化问题施加基于势场函数的惩罚项,实现防撞功能扩展。然后,利用反步法设计基于Lyapunov函数的收缩项作为NMPC优化问题的附加约束项以保障控制的稳定性,并在此基础上引入动态调整预测时域机制,在保证稳定的轨迹跟踪前提下缓解计算负载。对比仿真结果表明,引入的稳定性约束项和防撞惩罚项有效地改善了NMPC控制性能。本文所设计的轨迹跟踪与防撞一体化控制器考虑了控制输入约束问题,具有实际工程应用价值。

考虑控制输入受限的卫星姿态控制

研究了刚体卫星在控制输入受限时的姿态调节控制问题.设计了基于饱和函数的非线性控制器,在控制输入受限的同时,也是角速度受限的.通过李亚普诺夫方法证明了闭环系统零平衡点的全局渐近稳定性,保证了姿态和角速度都是渐近趋于零的.所提出的控制方案是模型独立的,不依赖于卫星的转动惯量.仿真结果表明,在控制输入受限情况下,用所设计的控制方案实现姿态控制是可行的、有效的.

控制输入受限的拦截卫星轨道鲁棒H_2/H_∞控制

针对拦截卫星在执行轨道拦截任务的过程中存在不确定参数和不同类型外界干扰的轨道控制问题,研究了基于鲁棒H2/H∞稳定的控制器设计方法.首先,考虑参数不确定性、外界干扰、系统的H2/H∞性能和有限时间性能、控制输入限幅和极点配置,建立了相对运动轨道模型和相应的约束条件,并由此提出了控制器设计目标.然后采用线性不等式技术提出并证明了控制器存在的充分条件,并将控制器的设计转化为一个凸优化问题进行求解.仿真结果表明,设计的控制器能够使系统稳定并满足各项约束,且对系统不确定性具有较好的鲁棒性以及对外界干扰有一定的抑制作用.

控制输入受限的四水箱系统分布式预测PI控制

工程实践中,控制输入约束是普遍存在的.四水箱系统是有着广泛工程应用背景的典型多流程系统,具有动态过程缓慢、强耦合、强非线性等显著特征,由于能量限制其控制输入只能在允许范围内变化.首先基于相对增益矩阵(RGA)分析确定了分布式控制结构,进而确定了预测PI控制策略,仿真结果表明,与常规PI控制方法相比,分布式预测PI控制能够更有效地克服控制输入积分饱和现象,明显提高系统动态性能,且易于工程应用.

控制输入受限T-S模糊系统的滑模控制

研究控制输入受限情况下不确定时滞系统的滑模控制,结合T-S模糊模型和滑模变结构控制方法,首先建立被控系统的T-S模糊模型,然后通过设计一种基于积分切换面的滑模控制器,证明了系统的状态轨迹能够在有限时间内到达指定的切换面,并利用线性矩阵不等式技术和李亚普诺夫稳定性理论,给出滑模动态渐近稳定的充分条件。仿真结果表明,方法对含有控制受限的不确定时滞系统具有较好的控制效果,能够有效消除系统不确定性带来的干扰,从而显示该方法的有效性。

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理,并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic,LQ)最优控制问题的求解新方程—耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程.通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段,在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法.数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性,并且该算法具有较快的收敛性,在大步长下具有较高的计算精度.

基于神经网络的自主水下航行器滑模控制方法

针对传统滑模控制在自主水下航行器(AUV)的控制过程中存在抖振以及执行机构饱和对其控制性能的不利影响,提出一种基于神经网络的滑模控制方法。采用径向基函数神经网络(RBFNN)和自适应观测器对运动模型中的不确定项和未知外界干扰进行在线估计,削弱滑模抖振;采用RBFNN对控制输入受限前后的差值进行逼近,克服执行机构饱和引起的控制振荡。仿真结果表明,该控制方法相较于传统滑模控制具有更好的适应性和控制精度。

输入受限乘波体飞行器的最优跟踪控制方法

针对存在输入受限的乘波体飞行器最优跟踪问题,基于反演控制设计了最优跟踪控制器。将控制分为稳态跟踪控制和瞬态最优控制两部分。首先基于反演控制框架,引入有限时间收敛跟踪器对虚拟控制律进行估计,避免了普遍存在的"微分项膨胀"问题。其次,考虑系统中存在不确定项,设计了非线性干扰观测器对不确定项进行估计,确保控制器的鲁棒性。同时,充分考虑输入受限情况,基于辅助误差补偿策略对控制输入进行修正。然后,为了实现最优控制,基于自适应动态规划设计瞬态最优控制器。最终通过数字仿真,验证所设计控制方法的有效性。

控制受限的卫星姿态自适应滑模镇定

研究控制输入受限的卫星在转动惯量大小完全未知且存在有界外部干扰时的姿态镇定问题,利用四元数和双曲正切函数的有界性设计了一种不依赖于卫星转动惯量的有界鲁棒自适应滑模控制律,其中自适应律在线调节滑模面参数。用李亚普诺夫方法证明了:通过选择控制器参数可保证闭环系统的姿态误差和角速度误差渐近趋于零。仿真结果表明:利用所设计的控制律可在控制输入受限情况下有效抑制外部干扰和转动惯量不确定性的影响,达到预期控制目标。

控制受限影响下不确定时滞系统的滑模控制

本文考虑不确定时滞系统的滑模控制问题,其中,系统的控制输入受到非线性限制(包括饱和、死区),同时,被控系统存在状态时滞和输入时滞。设计了一种新型的积分切换面,给出了该切换面上滑模动态渐近稳定的充分条件,同时,给出了控制输入受限情况下,滑模控制律的设计方法,并证明了所设计的滑模控制律能够保证状态轨迹在有限时间内被驱动到指定的切换面上。

控制受限的火箭炮位置伺服系统鲁棒自适应反步控制

针对火箭炮位置伺服系统运行过程中所存在的转动惯量和负载力矩变化大,输入控制受限等各种不确定因素,提出了一种基于动态面滤波法的自适应鲁棒位置控制器。对于模型中的不确定参数,采用投影算法进行有效估计,利用鲁棒滑模滤波器简化控制器的设计,引入一个辅助分析系统来对控制输入限制的影响进行有效分析,同时将辅助分析系统与反步方法结合,通过对模型的等价变换和选择适当的Lyapunov函数,给出系统的自适应控制器的设计方法。仿真结果表明,该方法保证了系统的响应速度和控制精度,对参数摄动及外界负载扰动具有较强的鲁棒性。

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法。以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性。基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的。仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质。

航天器输入受限的鲁棒自适应姿态跟踪控制

研究含模型不确定性的刚性航天器输入受限时的姿态跟踪控制设计问题.针对修改的罗德里格斯姿态参数描述的航天器姿态跟踪动力学模型,基于一种有界非线性连续函数和修改的罗德里格斯姿态参数自身有界性,设计鲁棒自适应状态反馈受限控制器,不确定参数的自适应更新律可保证在线估计参数的有界性.通过所提出的输入受限控制设计方法给出输入受限幅值、期望轨迹上界、模型不确定性上界与控制器增益之间的定量关系,并采用李亚普诺夫方法证明通过选择合适的控制器参数可以保证闭环系统角速度误差渐近收敛到零,且姿态跟踪误差收敛到原点小邻域,同时保证控制量始终在预先给定的受限范围内.仿真结果验证了所设计的控制器可在输入受限的情况下完成控制目标并有效抑制模型的不确定性影响.