基于自抗扰的高超再入飞行器轨迹线性化控制技术

在高超再入飞行器运动模型的基础上,全面分析了全弹道3通道间的运动学耦合、惯性耦合、气动耦合和控制耦合.针对该强耦合系统的姿态跟踪问题,基于时标分离和奇异摄动原理,分别在姿态环慢回路和快回路设计了基于自抗扰的轨迹线性化控制器.结合控制器的设计过程,从前馈、反馈、干扰观测与补偿等角度全面分析了自抗扰轨迹线性化控制方法的通道解耦机理.仿真结果验证了解耦机理分析的正确性,表明自抗扰轨迹线性化方法具有很好的解耦效果,适合用于强耦合系统的控制器设计.

高超声速飞行器抗干扰反步滑模控制

针对存在参数不确定及外部扰动下的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题,研究了一种基于反步法的抗干扰滑模控制设计方法.将非线性高超声速飞行器动力学模型表达为严反馈形式分步进行设计.采用滑模控制方法进行每步的控制器设计,并提出采用扩展状态观测器(ESO,Extended State Observer)方法实现对参数不确定及外部扰动产生的内外干扰进行估计,继而在控制中补偿.扩展状态观测器能保证对干扰的估计收敛到真值附近的邻域内,从而能够保证较好的补偿效果.通过0.5°附加干扰攻角和25%的气动参数偏差下的非线性高超声速飞行器动力学模型仿真结果验证了该抗干扰滑模控制方案对内外干扰的抑制效果和闭环系统良好的跟踪性能.

面向飞行器控制的切换系统分析与综合

面向飞行器控制的切换系统分析与综合是近年来飞行器控制领域的研究热点。从切换系统在飞行器控制领域的优越性出发,首先对线性切换系统的分析与综合给予简单综述,在此基础上分析了切换系统在飞行器控制领域的应用,而后展开论述面向飞行器控制的线性切换系统建模、分析与控制综合方法,重点介绍局部重叠切换系统、稳定性分析和基于切换系统的综合方法等内容。最后,提出面向飞行器控制的切换系统研究的发展趋势。

高超声速飞行器抗饱和鲁棒自适应切换控制

针对高超声速飞行器执行机构饱和的控制器设计问题,提出一种多回路抗饱和鲁棒自适应切换控制方法.首先针对高超声速飞行器的运动模态在频率上表现出显著的分离特性,将状态变量分开不同的回路设计;然后对受执行机构饱和影响明显的状态设计参考切换系统,从而降低模型和控制器参数设计的复杂性,将一系列可能导致执行机构饱和的事件视作切换信号,选定参考切换模型及鲁棒自适应控制器,保证控制输入不达到饱和状态,并通过多李亚普诺夫函数方法和线性矩阵不等式分析了控制器的稳定性.仿真结果表明了控制方案的有效性,在存在执行机构失效故障和干扰的情况下,系统状态可良好的跟踪参考状态且控制输入小于执行机构限幅.

固定翼无人机自动着陆的一体化制导控制

本文基于制导控制一体化方法的思想,将滑模变结构控制和自抗扰控制技术结合于动态面控制结构中,提出一种固定翼无人机自动着陆方法.在建立六自由度无人机模型、无人机和目标点间的相对视线角度模型的基础上,在动态面控制框架下加入滑模变结构控制来设计制导控制一体化方法.在此过程中加入自抗扰控制技术,提高了系统对未建模部分、参数的不确定性和外界干扰的鲁棒性,并抑制了滑模变结构控制的抖振.该方法使得无人机在平稳地飞向目标点的同时能够满足着陆视线角度的约束.文中详细论述设计思想和设计方法,最后通过仿真验证说明本文方法的有效性.

高超声速滑翔飞行器的分散鲁棒姿态控制

根据高超声速滑翔飞行器的任务和特点,并考虑一阶执行器动态,建立了面向控制系统设计的飞行器姿态模型.针对模型的结构,结合分散控制和滑模变结构控制的思想设计了再入飞行段的分散鲁棒姿态控制器:采用Tornambe控制方法进行了分散鲁棒滑模面的设计,使得系统能够克服耦合及非匹配不确定性的影响实现性能优良的滑模运动;采用改进的时间次优控制方法实现了二阶滑模变结构控制律的设计,通过在线估计等效控制削弱了抖振.为验证控制器的设计,在Simulink中以某概念高超声速滑翔飞行器为对象,进行了分散鲁棒姿态控制系统和制导系统的联合仿真,仿真结果表明在存在大不确定性的情况下,可以实现对制导指令的鲁棒稳定跟踪.

基于SMDO-TLC的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器快时变、强耦合以及存在参数不确定和外部干扰情况下的姿态控制问题,同时考虑到执行机构动态和输入受限,提出了基于滑模干扰观测器-轨迹线性化(SMDO-TLC,Sliding-Mode Disturbance Observer-Trajectory Linearization Control)的高超声速姿态控制方法.首先,引入二阶线性微分器(SOLD,Second-Order Linear Differentiator)的概念,通过理论分析指出了当前TLC中采用一阶惯性+伪微分器求取输入指令的微分信号时会存在与SOLD类似的峰值现象,随后利用韩式跟踪微分器求取姿态标称指令及其微分信号,可有效解决过渡过程中执行机构饱和问题;接着,分别在姿态和角速率回路设计二阶滑模干扰观测器,利用符号函数积分来重构内外回路的复合干扰,在此基础上设计补偿控制律,以实现姿态控制器设计.仿真结果表明,所提出的方法能够克服时变干扰及气动参数大范围摄动的影响,同时兼具良好的动态特性与静态品质,能够满足高超声速飞行器的快时变、高精度以及强鲁棒的控制需求.

面向大跨度机动飞行的高超声速飞行器自抗扰轨迹线性化控制

针对高超声速飞行器大跨度机动飞行所引起的本质非线性及强耦合动力学特性、执行机构输入受限、多源气动参数摄动及外部环境干扰并存情况下的姿态跟踪控制问题,结合模型辅助自抗扰控制技术,构建并阐述了基于轨迹线性化控制框架的集抗饱和与主动干扰补偿于一体的姿态控制体系。首先,面向控制角度,将姿态和角速率子系统描述为带不确定性的严格反馈形式;其次,基于自抗扰控制的设计思路,采用跟踪微分器对姿态标称指令及其微分安排过渡过程,解决单一轨迹线性化控制中的执行机构饱和问题;分别针对姿态与角速率回路构造包含模型信息的扩张状态观测器对总干扰进行观测并补偿,克服大范围不确定性对闭环跟踪性能的影响;基于轨迹线性化控制思想,分别设计前馈跟踪控制律和反馈镇定控制律,实现姿态跟踪误差沿着标称指令镇定。仿真结果表明,该控制方案能够实现给定大幅度制导指令下的高精度抗干扰控制,且对于再入过程中的多源干扰大范围摄动具有较强的适应能力。

主从编队反舰导弹末制导段一体化位姿控制

针对领弹—从弹编队构型的反舰导弹的末段协同制导,提出一体化位姿控制(ICPA)策略,将传统的位置跟踪控制和姿态稳定控制集成一体。建立便于一体化策略实施的串级型设计模型,在动态面控制的框架下设计一体化位姿控制算法,并通过Lyapunov方法证明其稳定性。从弹仅需获取领弹的位置信息,就能在确保自身姿态稳定的同时精确跟踪期望位置保持编队构型,而无需领弹的航向、速度、姿态等其他信息。总结一体化设计思想的本质:通过一个中间状态量建立质心方程和姿态方程之间的直接联系,集成出一个串级型设计模型,并针对其进行闭环算法设计。最后,通过仿真对所提出的一体化位姿控制策略及算法进行校验。

飞行器切换多胞系统抗干扰控制

针对存在参数不确定和外部扰动的飞行器切换多胞系统跟踪控制问题,提出了一种基于改进微分器的抗干扰控制方法。该方法将参数不确定和外部扰动带来的影响均视为干扰,提出一种改进微分器实现对干扰的精确光滑估计并设计控制器进行补偿,抑制干扰对系统的影响。与H∞等传统鲁棒方法相比,本文所提方法避免了对不确定满足凸包形式的假设,且在名义情况和不确定情况下均具有良好的性能。结合微分不等式理论和平均驻留时间方法证明了闭环系统的稳定性。为了验证本文所提方法的良好性能,将其应用到一类高超声速飞行器的轨迹跟踪控制问题中,仿真结果表明该方法能够有效抑制干扰,实现对参考信号的精确跟踪。

高超声速飞行器切换多胞系统自适应跟踪控制

针对保证大包线稳定飞行的高超声速飞行器轨迹跟踪控制器设计问题,提出了一种多回路切换多胞自适应跟踪控制方案。基于运动模态在频率上存在显著的时标分离特性,将高超声速飞行器的状态分成内外回路进行设计,考虑到干扰及外回路对内回路的不确定影响,采用增益调度与自适应控制结合的方法设计了内外回路控制器。该方法解决了将该飞行器切换多胞系统作为整体设计时无法综合出保证全局稳定控制器的问题,并且降低了控制器设计的复杂性。仿真结果表明,闭环跟踪系统在工作包线内具有良好的动态响应品质与稳态跟踪性能,从而验证了控制方案的有效性。

基于不变流形的高超声速飞行器动态面控制

针对存在未知气动参数的吸气式高超声速飞行器纵向运动控制问题,提出一种基于不变流形的自适应动态面控制方法.通过合理假设将高超声速飞行器纵向模型分解为弹道倾角回路和速度回路,分别实现对弹道倾角和速度参考指令的跟踪.弹道倾角回路被表达为严反馈形式进行控制器设计.采用基于不变流形的自适应方法实现了对未知参数的估计.所提出的自适应动态面控制方案能保证未知参数估计误差全局一致稳定和闭环系统全局有界稳定,且估计器和控制器设计不存在耦合,因此参数设计更加容易.仿真结果验证了该控制方法在参数估计方面的显著优势和良好的闭环系统性能.

基于Backstepping的吸气式高超声速飞行器自适应控制

针对含有不确定性气动参数的吸气式高超声速飞行器(Air-Breathing Hypersonic Vehicles,ABHV)动力学模型,设计自适应Backstepping控制器。Backstepping的设计方法用来补偿模型中的不匹配性不确定性,以保证飞行器跟踪理想的高度、速度、攻角、机体角和俯仰角速率的变化轨迹。利用基于Lyapunov的稳定性分析用来保证控制器状态的渐进稳定性。基于MATALB的数值仿真结果证明设计的控制器的有效性。

保证误差收敛速率机动滑翔飞行器抗饱和控制

在执行机构饱和约束下,针对机动滑翔飞行器高空横侧向大机动姿态控制问题,研究了在保证系统稳定的同时提高响应快速性方法.在标准Antiwindup方法中,误差收敛速率往往被忽略,系统快速性常常达不到设计要求.为了提高加入补偿后系统的误差收敛速率,对现存的一种基于线性矩阵不等式的Antiwindup设计方法进行改进,并运用比较原理证明了改进后受控闭环系统稳定且李雅普诺夫函数收敛速率有确定的下界,从而保证了误差收敛速率下界.与以往方法相比,该方法保证了对系统快速性的最低要求,为解决饱和系统稳定性与快速性的矛盾提供了一条有效途径.较大侧滑角下的倾侧角机动仿真结果表明,所设计的抗饱和控制器可以在恶劣的飞行环境下稳定完成倾侧角大机动的任务,相比于标准Antiwindup设计方法,该方法快速性有所提高.

基于扩张状态观测器和反步法的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器在实际执行任务过程中,往往会受到外界的干扰,同时建立模型时的不确定性也会对控制效果产生影响。为了提高系统的鲁棒性,设计了一种基于扩张状态观测器和反步法的姿态控制器。基于牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的数学模型,通过设计扩张状态观测器,以此观测四旋翼飞行器受到的扰动,将观测到的扰动估计值补偿至反步控制器,以减小扰动的影响,改善控制效果。通过数值仿真验证了算法的有效性。

考虑规避与突防的高超声速飞行器智能容错制导控制一体化设计

针对再入过程中的禁飞区规避和拦截弹躲避问题,提出一种考虑规避与突防的高超声速飞行器智能容错制导控制一体化设计方法。首先,在纵向制导中,为了提升飞行器的制导性能,基于制导控制一体化设计思想,采用包含姿态容错控制系统的飞行器六自由度模型进行待飞航程的预测;针对随之产生的计算耗时问题,进一步采用深度网络进行预测环节的拟合,以提升算法的实时性;接着,在侧向制导中,为了解决禁飞区规避和拦截弹躲避问题,引入扰动流体动态系统(IFDS)算法进行考虑威胁因素的飞行器期望航向角计算,并结合航向角误差走廊和倾侧角翻转逻辑进行侧向制导指令的求取,使飞行器具备规避与突防能力;然后,考虑到飞行环境的复杂性、飞行器再入段机动能力的差异性和姿态容错控制系统动态特性对制导性能的影响,结合深度强化学习算法进行智能体训练,使其可根据飞行器实时状态进行扰动流体动态系统算法参数的在线决策,提升所提方法的有效性和适应能力。最后,由半物理对比仿真和蒙特卡罗仿真结果可知,所提方法具有较强的规避、突防与制导性能。

电液飞行转台的分数阶积分滑模非线性控制

电液飞行转台是飞控系统半实物仿真测试的关键设备,它是在实验室条件下复现飞行器运动姿态的高精尖试验设备,具有重大经济价值和国防战略意义.为提高该设备的动态跟踪精度,提出一种基于分数阶积分滑模的非线性鲁棒控制策略.在积分滑模控制器中引入分数阶算子,能更有效地提升系统瞬态响应,并能提供更多的控制自由度.同时基于Lyapunov分析方法证明了该控制器在存在参数不确定、强外干扰力矩和未知非线性摩擦特性等情况下仍能保证系统的全局渐近稳定性.以某型电液飞行转台外框阀控马达为例,针对多种运动工况进行仿真分析,结果表明该方法能有效提高系统的瞬态性能和鲁棒能力.

结构受损飞机动力学模型与飞行控制方法

为实现对结构部分受损飞机的安全控制,建立了其动力学模型,通过分析将结构受损飞机的旋转运动分解为正常飞机旋转运动和由于受损引起的扰动运动,将结构受损飞机的控制转化为对扰动等不确定性因素的抑制问题.提出了一种基于扩张状态观测器的轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.仿真结果表明:当飞机右侧机翼缺损15%半翼展长时,控制系统能实现结构受损飞机的解耦控制,角速度响应能较好地跟踪指令,有效抑制了结构受损带来的不确定性和扰动.

面向重心变化的自适应飞行控制系统设计

重心的变化直接影响飞机本身的控制特性,使得控制系统设计更为复杂.针对已有方法模型依赖性强、鲁棒性差的局限性,提出了一种面向重心变化的非线性自适应飞行控制系统设计方法.该方法基于逆动力学理论和重心在线估计系统设计标称控制律,在此基础上引入自适应滑模控制单元来构建自适应补偿控制律,其中滑模控制用于保证控制的鲁棒性和稳定性,而自适应单元则通过对模型不确定性和重心估计误差的估计及补偿提高控制的适应性和控制性能.结合Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:该方法能有效地实现对系统未知不确定因素的补偿,具有较强的鲁棒性.

飞行控制系列课程“本研贯通”式教学模式探索

受到传统教学模式的影响,飞行控制系列本科生课程和研究生课程之间相互独立、不能有机衔接,本研培养分离。本文结合“本研贯通”培养模式的优势,对飞行控制系列课程进行教学改革探索,在课程内容贯穿性建设、实践教学一体化建设、多样化教学手段等方面进行改革创新,以加强飞行控制系列课程纵向深度建设,提升面向不同学生群体的飞行控制系列课程教学效果,实现本科和研究生两个培养阶段的有效衔接,促进学生知识、能力、实践、创新的系统训练和长程培养。