Multiple model predictive control of perching maneuver based on guardian maps

Considering the strong nonlinearity of Unmanned Aerial Vehicles(UAVs)resulting from high Angle of Attack(AOA)and fast maneuvering,we present a multi-model predictive control strategy for UAV maneuvering,which has a small amount of online calculation.Firstly,we divide the maneuver envelope of UAV into several sub-regions on the basis of the gap metric theory.A novel algorithm is then developed to determine the ploytopic model for each sub-region.According to this,a Robust Model Predictive Control based on the Idea of Comprehensive optimization(ICE-RMPC)is proposed.The control law is designed offline and optimized online to reduce the computational expense.Then,the ICE-RMPC method is applied to design the controllers of sub-regions.In addition,to guarantee the stability of whole closed-loop system,a multi-model switching control strategy based on guardian maps is put forward.Finally,the tracking performance of proposed control strategy is demonstrated by an illustrative example.

基于飞行品质的高超声速飞行器控制参数设计

针对飞行控制日趋严格的性能要求以及传统控制迭代工作量大的问题,研究一种基于保护映射理论的高超声速飞行器控制参数自适应整定算法.首先分析常见飞行品质参数与控制系统零极点分布间的关系;然后根据保护映射理论建立飞行品质参数与飞行器控制参数间的映射关系;最终给出基于保护映射理论的控制参数自适应整定算法,实现满足飞行品质要求的控制参数设计.该算法可根据任意给定的初始控制器参数,实现满足飞行品质要求的控制参数自动迭代,大大降低了控制系统设计反复迭代的工作量.以X 43A飞行器为研究对象进行仿真验证,仿真结果表明设计的控制参数能保障系统的动态性能和跟踪效果.

高超声速飞行器应用保护映射的大包线控制律

针对高超声速飞行器模型具有高度非线性和易变的动态特性,应用保护映射理论提出了一种高超声速飞行器大包线控制律设计方法.首先,结合间隙度量理论建立高超声速飞行器线性变参数(linear parameter-varying,LPV)模型,然后设计控制器结构并计算初始点的控制器参数,并根据保护映射理论分析初始控制器使闭环系统稳定的参数区间,通过迭代运算自适应地获得满足性能要求的控制器参数集合.仿真结果表明,建立的LPV模型具有良好的精确度;所设计的大包线控制律能够满足高超声速飞行器的性能要求,并且保证系统在飞行域内全局稳定.

保护映射理论在火星无人机鲁棒自适应控制的应用

针对具有模型不确定性特点的火星无人机控制问题,本文基于保护映射理论提出一种飞行控制的鲁棒自适应调参数方法,通过建立控制系统未知参数与闭环系统极点间的约束关系,在飞行高度和速度变化的情况下,利用对系统极点的配置,保证火星无人机的稳定飞行要求。此外,设计过程中控制器结构固定,只需给定一个初始增益,即可实现系统的鲁棒自适应调参。仿真研究表明获取的增益能使控制作用满足火星无人机在高度和速度变化情况下的稳定飞行要求。

混合翼垂直起降无人机过渡过程自适应切换控制

针对混合翼垂直起降无人机过渡过程中模型参数变化大、特性耦合严重的问题,本文提出了一种基于保护映射理论的垂直起降无人机过渡过程自适应切换控制器的设计方案。以雅可比线性化方法为基础,搭建混合翼垂直起降无人机过渡过程的线性变参数模型,选取线性二次型为基本控制结构并求取过渡过程起始点的控制参数。基于保护映射理论求取初始控制参数的稳定范围,进而通过自动迭代获取整个过渡过程中满足性能指标的控制器参数集合。对所得控制器参数进行插值拟合,获得混合翼垂直起降无人机过渡过程自适应控制律。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够保证闭环系统的鲁棒稳定,满足混合翼垂直起降无人机过渡过程中的定高加速稳定控制。

面向性能指标的控制器参数整定新方法

针对线性定常系统,基于Guardian Maps稳定理论提出了一种面向性能指标的控制器参数整定方法。将期望的闭环系统动态性能和稳定裕度指标转化为状态矩阵特征值的配置问题,进而利用Guardian Maps包围函数,在系统参数已知的条件下,可确定满足期望性能的全部控制器参数;在控制器参数既定时,可确定满足期望性能的系统参数许用摄动范围。仿真验证了所提方法的有效性,同时表明该方法通用性强,对PID控制、状态反馈及自适应等控制器参数整定问题均适用。

一类不确定区间系统最大摄动界的有限判别方法

线性区间系统Hurwitz稳定时系数的最大摄动界 ,利用半保护映射可以经过有限判别求得。含有两个区间参数的多线性区间系统Hurwitz稳定时系数的最大摄动界 ,同时利用半保护映射和多项式完全判别系统 ,也可以通过有限判别求得。给出的两个算例说明了方法的有效性。对于含有任意多个区间参数的多线性区间系统 ,也给出了其系数的最大摄动界的有限判别方法。

基于保护映射理论的航空发动机LPV/PI控制

针对具有强非线性特性的航空发动机控制问题,将基于保护映射(Guardian Maps,GM)理论的控制方法应用于航空发动机控制系统设计中。基于某型涡扇发动机非线性模型建立了线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)模型;根据保护映射理论设计不同调度参数下的PI(Proportion Integration)控制器,在设计过程中,只需通过给定的初始控制器就可以自动得到满足性能要求的控制器参数集合,避免了在多个平衡点进行控制器设计;以非线性模型为被控对象,采用积分分离PI控制,在飞行包线内的不同工作点进行仿真验证。结果表明:基于保护映射理论的控制方法在解决航空发动机控制系统的非线性问题时具有显著效果。

基于区域极点配置的航空发动机全包线H_(∞)/LPV控制

根据发动机相似工作原理以及平方和(Sun of squares,SOS)规划,基于发动机全飞行包线的换算线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,提出了一种基于区域极点配置的航空发动机全包线切换H∞/LPV控制方法。根据发动机相似换算参数,建立换算状态变量模型。以高压换算转速为调度参数,利用多项式拟合得到全包线慢车以上的换算LPV模型。考虑基于区域极点配置的H∞/LPV控制问题,将LPV闭环系统的极点配置在复平面上一个期望的区域内,并将LPV闭环系统稳定性条件转化为SOS约束,进行控制器求解。基于Lyapunov理论,设计全包线的切换LPV控制器,保证切换闭环系统Lyapunov意义下稳定。仿真结果表明,设计的切换LPV控制器能保证全包线内系统稳定且具有较好的鲁棒性能和动态响应性能。

基于保护映射的尾坐式飞行器过渡过程控制

针对尾座式飞行器过渡阶段动力学模型的大范围非线性变化问题,结合保护映射理论和H∞控制理论设计自适应控制增益调度技术。将提出的自适应控制增益调度技术对尾座式飞行器过渡过程的纵向模型进行航迹角跟踪,并与传统的基于增益调度技术的LQR方法进行对比。仿真结果表明:基于保护映射理论设计的控制器能够自主切换合适的控制律,完成过渡过程的稳定转换,并且本文方法比基于传统增益调度技术的LQR方法显示出了更好的跟踪性能。

基于保护映射理论的电力系统小扰动稳定域计算方法

针对传统小扰动稳定域未考虑系统可能出现的持续振荡和阻尼比过低的情况,提出一种基于保护映射(Guardian map)的改进小扰动稳定域计算方法。首先,借助映射理论将系统从改进小扰动稳定域映射到负半平面上,并通过直和运算构成保护映射,然后利用能够精确求解Hurwitz矩阵稳定域的保护映射方法准确快速地求解出改进小扰动稳定域的边界。IEEE 4机11节点系统仿真结果表明:基于保护映射的电力系统改进小扰动稳定域描绘方法具有较高的精确度和有效性。最后,进一步分析发电机励磁系统参数对改进小扰动稳定域的影响,对指导系统调度运行,预防系统出现小扰动失稳具有参考意义。

基于保护映射理论的航空发动机增益调度控制

针对具有强非线性特性的航空发动机控制问题,提出将基于保护映射理论的控制方法用于航空发动机控制系统设计中。首先,基于某型涡扇发动机非线性模型建立线性变参数LPV(linear parameter varying)模型。然后,采用基于保护映射理论的控制方法设计调度参数变化范围内的增益调度控制器,在设计过程中,只需通过任意给定的初始控制器参数就可以自动得到满足性能要求的控制器参数集合,避免了在多个平衡点进行控制器设计。最后,以非线性模型为被控对象,在飞行包线内的不同工作点进行仿真验证,结果表明,基于保护映射理论的控制方法在解决航空发动机控制系统的非线性问题时具有显著的效果。

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。

基于保护映射理论的控制系统自适应调参算法

针对现代控制严格的性能要求,提出了一种基于保护映射理论的控制系统自适应调参算法,建立控制器增益参数与闭环系统极点间的直接约束关系,利用对闭环系统极点的配置,改善系统的动态特性和稳态性能,以达到期望的性能要求.此外,设计过程中控制器结构固定,不必基于多平衡点,只需给定一个初始控制器即可自动生成满足要求的控制器集合,实现了控制系统的自适应调参.仿真研究表明该算法能够自适应地获取控制器增益参数.

基于保护映射理论的鲁棒控制新方法

针对现代控制系统不确定性的问题,基于保护映射理论提出了一种新的鲁棒控制方法.利用保护映射理论,构建控制器增益与闭环系统极点间的联系,通过配置闭环系统极点,改善控制系统的动态特性和稳态性能,以满足期望的性能指标.整个设计过程中控制器结构固定,只需一个初始增益,即可实现系统的鲁棒控制.仿真研究显示对含参数变化的2阶系统模型,该方法能够自适应地获取满足整个变化系统控制性能的控制器增益,同时Monte Carlo随机试验表明了系统参数随机变化下,所求控制增益仍满足系统控制性能要求,从而保证了控制过程的鲁棒性.