基于鲁棒伺服LQR的无人机横航向自动着陆控制律设计

针对无人机自动着陆过程中外部不确定性强,影响控制精度和飞行安全的问题,提出一种基于鲁棒伺服线性二次型(Linear Quadratic Regulator,LQR)的横航向自动着陆控制律设计方法。基于鲁棒伺服LQR设计滚转姿态保持内回路,设计航向保持/预选模态和航向信标(Localizer,LOC)截获与跟踪模态,实现横航向轨迹的稳定与精确跟踪。数字仿真结果表明,该方法具有较好的控制效果。

MIMO鲁棒伺服系统的频域法设计

对多输入多输出 (MIMO)系统采用古典的频域方法设计鲁棒伺服系统 ,该方法计算简便 ,设计简单 ,物理意义直观。最后给出仿真实例及结果。

基于鲁棒伺服思想的尾坐式飞行器悬停姿态控制

针对一款小型飞翼布局的尾坐式垂直起降飞行器,通过考虑舵面失效、风场干扰、气动参数不确定以及转动惯量不确定等因素的影响,进行悬停阶段的姿态控制研究.根据悬停状态点线性化的运动学和动力学模型,设计鲁棒伺服线性二次型调节器(RSLQR)控制器来保证标称系统良好的响应及鲁棒性.同时,考虑到较大不确定及扰动下RSLQR控制器性能下降的不足,希望飞行器能够尽量在平衡点附近较大的范围内工作,为此设计L1自适应控制器进行补偿,以使系统性能得到恢复.考虑到控制器的时延裕度对系统稳定性有着重要影响,讨论控制器参数与系统时延裕度的关系.通过仿真验证不同不确定影响下系统良好的性能,并提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的补偿方法,以使设计的控制系统在飞控硬件性能较为有限时,依然能够保证良好响应.最后,通过飞行测试对所提算法的有效性和可行性进行验证.

基于主-辅控制架构的无人机鲁棒飞行控制律设计

无人机在实际飞行中易受到扰动与系统未建模动态等不确定性因素的影响.为此,文中提出了一种新的鲁棒飞行控制律设计方法.该方法以主-辅控制器为基本架构,主控制器采用鲁棒伺服线性二次型调节(LQR)法构造,以提供基本指令跟踪控制输入;以加入主控制器后的理想闭环系统为参考模型,基于鲁棒模型参考自适应算法设计辅控制器,以抑制扰动和未建模动态对飞行控制系统的影响.理论分析表明,该控制律能够保证闭环飞行控制系统在存在有界扰动与未建模动态情况下稳定且跟踪误差有界.非线性对比仿真验证了控制系统对各种形式扰动的抑制作用,说明了该控制系统的有效性与鲁棒性.

一种无人机鲁棒自适应控制律设计

针对现代无人机作战时存在强不确定性、全包线大机动飞行时的强非线性、战损/故障导致的舵面效能变化问题,提出一种包含基本控制器和补偿控制器的鲁棒自适应控制律设计方法。以鲁棒伺服LQR作为基本控制器,L_1自适应作为补偿控制器,在保证无人机控制系统稳定性和动态特性的同时,拥有较强的鲁棒性。仿真结果表明了该方法的有效性和优越性。

鲁棒伺服系统（续）

鲁棒伺服系统（续）四、鲁棒跟踪系统可达到的转移矩阵本节讨论内部稳定鲁棒跟踪系统中从ｒ到ｙ可达到的转移矩阵级。首先用下式定义Σ（ｐ）级。Σ（ｐ）是所有转移矩阵的级，这些转移矩阵可由两个补偿器在保持系统内部稳定的情况下获得。因而可得到如下定理。定理３：假...

四旋翼飞行器鲁棒自适应姿态控制器设计

为实现四旋翼飞行器姿态的稳定控制,针对该系统的非线性、易受外界干扰和参数摄动影响等问题,提出一种鲁棒自适应控制方法。首先通过分析四旋翼飞行器的工作原理,建立了动力学模型;其次在线性化飞行器模型的基础上,设计了基于最优二次型鲁棒伺服控制方法的姿态控制器;然后应用模型参考自适应控制方法设计了自适应补偿器消除系统不确定性的影响;最后对加入了鲁棒自适应控制的飞行器进行仿真。仿真结果表明:该控制器具有稳定精确的指令跟踪性能和强鲁棒性,能够在复杂环境下实现稳定良好的姿态控制。

基于LMI方法的中频电源的动静态和鲁棒性能优化控制

为了使闭环系统实现无静差跟踪和渐进稳定,且具有动态响应速度快、良好的鲁棒性能以及抗负载扰动能力,将鲁棒伺服控制器和离散滑模控制器相结合的双环控制方法应用到中频电源中。首先,介绍了中频电源系统模型并对鲁棒伺服控制器和离散滑模控制器设计做了理论分析,通过系统矩阵维数增广将鲁棒控制问题转化为线性矩阵不等式凸优化问题;然后,利用YALMIP工具箱求解出状态反馈增益矩阵;最后,通过仿真软件和试验样机分别对整个系统进行了仿真和实验验证。结果表明:所设计的控制器使中频电源稳态输出电压在115±0.3 V以内,动态恢复时间不超过2 ms,在系统参数存在扰动时输出电压不受影响。

永磁同步电机的神经网络逆动态解耦控制

永磁同步电机是一个非线性、强耦合系统,应用神经网络逆系统方法对永磁同步电机进行动态解耦控制研究。通过对永磁同步电机的数学模型可逆性分析,得出解析逆系统,由解析逆系统与永磁同步电机原系统复合成两个伪线性子系统来构造神经网络逆系统,使永磁同步电机动态解耦成二阶线性转速子系统和一阶线性磁链子系统,并采用鲁棒伺服控制器对伪线性子系统进行线性闭环控制器的设计,实现永磁同步电机转速和定子磁链的动态解耦,仿真表明系统具有良好的动静态性能。

风扰动下的飞翼无人机静态投影控制

根据飞翼无人机特殊外形布局、气动性能及控制品质要求,在风扰动存在情况下,针对系统纵向俯仰通道和横侧向滚转通道,设计了基于鲁棒最优理论的静态投影控制器。分析了投影控制方法的一般原理,建立了飞行控制系统的鲁棒伺服模型,应用最优线性二次型调节器(LQR)方法构成鲁棒伺服LQR控制,并以闭环系统为参考系统,通过静态投影法则以输出反馈重构参考系统主体特征结构,避免了LQR方法中部分反馈变量无法精确测量的问题。仿真过程中对比验证了风扰动下常规PID姿态驾驶仪和静态投影方法的控制效果。仿真结果表明,所设计的静态投影控制系统响应速度快,且具有较强的稳定性和抗风扰动能力。

基于滚转角速率的无人机横侧向控制律设计

针对某小型样例无人机横侧向转动惯量小、副翼效率高等特点,设计了以滚转角速率为内回路的滚转角、航迹角和航迹跟踪控制律。根据各控制指标与性能加权矩阵Q、控制加权矩阵R的关系,确定了Q阵和R阵,应用鲁棒伺服LQR优化方法,给出了滚转角控制律参数。与常规的滚转角控制器比较表明,以滚转角速率为主控变量的控制器抗干扰能力强,满足样例无人机横侧向控制的要求。

基于角速率的低配置小型无人机高度控制律设计

采用鲁棒伺服最优控制方法(robust servo linear quadratic regulator,RSLQR)设计了基于角速率的某小型无人机高度控制律。该方法将鲁棒指标和时域控制品质相融合,将跟踪误差扩展到系统动态模型中,利用线性二次型最优控制理论,设计了控制律结构和参数,实现了高度的无静差控制,保障了控制器的鲁棒性能。与常规控制器对比结果表明:基于角速率的控制器具有良好的高度跟踪效果和抗干扰能力,满足了小型低配置无人机的飞行控制要求。

一种倾转四旋翼无人机及其过渡段姿态控制

为解决常规四旋翼无人机前飞速度慢、续航时间短、固定翼飞行器无法垂直起降和悬停的不足,设计一种小型倾转四旋翼QTR(quad tilt-rotor)无人机。建立QTR无人机的动力学模型,针对该无人机的过渡段姿态控制特点设计基于鲁棒伺服LQR控制理论的姿态控制器,针对QTR由垂直模式切换水平模式的过渡阶段设计控制策略,并通过仿真实验,对比传统控制方法进行验证。仿真结果表明:该无人机既兼顾传统四旋翼无人机的飞行功能,又能像固定翼飞行器一样进行长距离快速飞行。

无人机快速着陆控制律设计及仿真验证

在无人机着陆优化控制的研究中,由于在快速着陆过程中无人机速度与下沉率不断上升的问题,故控制律需要对轨迹进行精确跟踪并在着陆过程末端增加俯仰角,减小下沉率。在控制律设计过程中,提出了鲁棒伺服LQR(RSLQR)和比例-积分-微分(PID)控制方法。首先根据快速着陆轨迹线,设计了以C*为控制变量的鲁棒伺服控制律,然后在C*控制律的基础上,利用PID方法设计了无人机高度及高度变化率控制律,并在非线性环境下进行了仿真。仿真结果表明,上述着陆控制律可以引导无人机沿所设计的轨迹线着陆,并在着陆末端可以减小下沉率,增大俯仰角,鲁棒性强,控制精度高。仿真结果为无人机快速着陆的研究提供科学依据。

一种小型倾转四旋翼飞行器的轨迹控制

针对小型倾转四旋翼(quad tilt-rotor,QTR)无人机位置控制过程中存在的外部扰动、建模误差以及输入时延的问题,给出了QTR的动力学模型,并采用基于扰动观测器的控制方法,设计了QTR的位置控制器。内回路的姿态控制器采用鲁棒伺服线性二次型最优控制器。仿真实验部分,设计了相应的飞行场景对设定的轨迹进行跟踪。仿真实验表明,所设计的基于扰动观测器的位置控制器能有效地实现对期望轨迹的跟踪,使得QTR能兼顾传统旋翼飞行器的飞行功能,同时又能像固定翼一样进行长距离快速飞行。

一种舰载无人机动态撞网回收控制器设计

借鉴导弹导引规律中的比例导引方法,提出了一种基于高度变化率的制导规律,采用此方法可以减小无人机运动对回收网参数变化的敏感性,从而获得较为平直稳定的下滑轨迹。同时,针对无人机自动撞网回收过程中回收网网心随海浪运动的特点,应用鲁棒伺服LQR(RSLQR)的控制方法,以高度变化率(H)为主被控变量,设计了鲁棒伺服控制律,该控制结构鲁棒性强、控制精度高,满足动态撞网回收的性能指标。非线性仿真结果验证了该方法的可行性,表明采用此方法可以消除外界风干扰导致的位置误差,同时又可以提高系统的快速性、准确性以及鲁棒性等性能指标。

基于角加速度的飞翼无人机的控制律设计

针对飞翼布局无人机个体差异大、操纵面数量多、纵向操纵力臂短以及航向静不稳定等问题,提出角加速度到操纵面的直接分配策略,以及以角加速度为控制指令的控制律。首先在离散状态下将角加速度直接分配到操纵效率分级后的各操纵面上,最终以角加速度为控制指令设计纵向鲁棒伺服LQR控制律和横侧向增稳控制律。样例无人机非线性仿真结果表明,角加速度到操纵面的直接分配满足分配精度要求,以角加速度为控制指令的控制律满足飞翼无人机的快速、高精度要求。

压铸机增压压力逆系统控制的仿真分析

针对压铸机增压压射的非线性系统提出了一种基于逆系统思想的控制方法。首先,将非线性系统线性化为伪线性系统,然后,利用鲁棒伺服控制设计线性系统控制器,实现对系统的控制。利用MATLAB与PID控制进行仿真对比,结果表明,无论是响应能力还是跟踪能力逆系统方法都要优于PID控制。

空中无人加油自主对接导航制导与控制

空中自主加油技术能大大提高无人机的航程航时,在军用和民用上都有着十分重要的意义。受编队气动干扰、模型不确定性、头波效应、阵风干扰等因素影响,空中无人加油的对接段是所有阶段中精度要求最高和控制难度最大的一个阶段,其导航制导与控制技术是目前研究的难点和热点。本文针对无人-无人空中自主加油场景,深入研究了软管式空中加油自主对接段的鲁棒抗扰导航制导与控制技术并进行了飞行试验验证。首先,为实现受油机加速对接时高度控制不出现振荡,采用总和能量法设计纵向制导律以实现对接末段高度和速度的协调控制;其次,为提高风干扰下的对接控制精度,分别针对加油机和受油机在不同飞行阶段的轨迹跟踪特点采用L1非线性制导思想设计了横向制导律,并采用鲁棒伺服方法设计内环姿态控制律,将积分环节引入角速率控制回路提升系统型别以更好抑制外界扰动对系统的影响;然后,基于单阶段深度学习目标检测算法YOLOV4开发了锥套识别与定位算法,在强光、云雾等复杂条件下进行采样和训练以大大提升视觉系统的鲁棒性,并采用扩展卡尔曼滤波算法将图像定位信息与RTK定位信息进行融合用于相对导航;最后,设计了无人机空中加油自主对接模拟飞行试验方案,在最大程度提高对接成功率的基础上降低安全风险,并通过飞行试验验证了本文提出的鲁棒抗扰导航制导与控制方案的有效性。