基于LADRC的四旋翼姿态解耦控制方法

针对基于自抗扰控制技术(ADRC)构建的小型四旋翼飞行器非线性姿态控制器,存在设计复杂、整定参数多、工程实现困难的问题,提出了一种基于线性自抗扰控制器(LADRC)的四旋翼飞行器姿态解耦控制方法。建立了四旋翼飞行器姿态的非线性耦合数学模型,引入LADRC,阐述了其对多变量系统的解耦抗扰控制原理及参数整定方法,并对四旋翼飞行器的姿态耦合数学模型进行了解耦;采用二阶LADRC建立了飞行器姿态控制回路,根据飞行器姿态控制中过渡时间的要求对控制器参数进行了整定;最后进行了仿真分析,结果表明,该姿态控制算法不依赖于精确的数学模型,具有较强的鲁棒性和抗干扰性,且仅需对一个参数进行整定,降低了工程应用难度,具有较强的实际应用价值。     

微小型飞行器姿态快速机动控制方法

针对某弹道导弹释放的微小型飞行器的姿态控制任务需求,提出一种基于Gauss伪谱法的姿态快速机动控制方法。建立精确的姿态控制模型,并考虑反作用飞轮的耦合力矩项;采用Gauss伪谱法获取最优姿态轨迹,设计准滑模跟踪控制器以跟踪该最优轨迹。数字仿真结果表明,Gauss伪谱法计算得到的轨迹是最优的,准滑模跟踪控制器能实现对最优轨迹的良好跟踪,且对干扰力矩有较好的抑制作用。     

面向目标对峙跟踪的四旋翼协同编队控制方法

针对多四旋翼编队飞行过程中对地面目标对峙跟踪、几何队形生成、稳固保持和协同抗干扰问题,设计了一种可应对外部环境干扰和气动参数不确定性的多四旋翼主从式协同目标跟踪方法。首先,建立存在外部干扰以及参数不确定性的四旋翼运动学/动力学模型;其次,基于Lyapunov导航向量场设计领航者的对峙跟踪航迹使得领航者以固定对峙半径实现对目标的盘旋跟踪;然后,构造多四旋翼分布式位置保持控制器,为后续姿态控制器构造提供必要的期望指令;最后,针对四旋翼外部环境干扰和气动参数不确定性设计基于自抗扰控制的多四旋翼姿态跟踪控制器。仿真结果表明所提方法可以在局部智能体通信的前提下实现对地面目标的对峙跟踪,显著改善四旋翼编队系统的抗干扰能力,提升干扰环境下多四旋翼编队几何构型的稳固性。     

基于干扰观测器的无人翼伞反步控制方法

针对干扰条件下的无人翼伞飞行器曲线路径跟踪控制,提出了一种基于非线性干扰观测器的可变增益反步控制方法。针对基于模拟对象方法的路径跟踪误差模型,设计了可变增益反步跟踪控制律,采用二阶跟踪-微分器设计干扰观测器对系统复合干扰进行估计和补偿,在保证稳定性的同时提高系统的鲁棒性。将控制器用于无人翼伞飞行器平面曲线路径跟踪控制中,仿真结果表明,所设计的控制器可以在复合干扰作用下实现期望路径的准确跟踪,且具有很好的鲁棒性。     

基于DDPG的四旋翼无人机姿态控制

针对未知环境下四旋翼无人机姿态控制实现难、鲁棒性差等问题,提出了基于深度确定性策略(DDPG)算法的智能姿态控制方法。首先,基于欧拉-庞卡莱方程,利用计算机符号推导,建立四旋翼的动力学模型;其次,基于DDPG算法设计四旋翼的姿态控制器,并在奖励函数设计中引入姿态误差、姿态角速度误差和控制量惩罚项;最后,通过设置不同初始状态值、改变四旋翼结构参数和引入噪声等仿真试验,分析验证控制器的性能。仿真结果表明,该控制器能够引导四旋翼快速响应到期望姿态并保持稳定,同时展现出较好的泛化能力。     

空间飞行器的姿态和扰动抑制控制器设计

针对存在参数不确定性和外部非线性系统干扰的刚性空间飞行器,采用Rodrigue参数描述的飞行器姿态模型,利用自适应控制方法处理了转动惯量矩阵中的参数不确定性;基于输出调节理论,设计了一个动态补偿器来估计外部非线性系统产生的干扰信号,结合Lyapunov稳定性分析方法设计了自适应状态反馈控制器。通过数值仿真可知,空间飞行器系统状态全局渐近稳定,设计的非线性内模可完全估计外部非线性干扰,验证了控制器的有效性和可行性。     

基于SADRC的四旋翼飞行器姿态解耦控制方法

针对线性自抗扰(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)在四旋翼飞行器姿态控制中存在初始状态误差较大时可能产生"峰值"现象的问题,提出了一种基于线性/非线性自抗扰切换控制(Switch in linearnonlinear Active Disturbance Rejection Control,SADRC)四旋翼飞行器控制方法。以实验室现有的3-DOF四旋翼飞行器平台为研究对象,建立了其姿态的数学模型,引入SADRC对其基本原理进行了介绍;基于SADRC设计了四旋翼飞行器姿态解耦控制器,并对系统单通道的稳定性进行了分析;对控制方法进行了实验验证。结果表明,SADRC控制器可有效避免LADRC控制器因为初始状态误差引起的"峰值"问题,抗干扰性能进一步提高。     

乘波构型高超声速滑翔飞行器大包线反步控制方法

高超声速滑翔飞行器在高速突防、快速打击等方面具有重要应用前景,是航空航天领域的重要发展方向。针对高超声速飞行器快速、大空域的飞行环境特性复杂、姿态控制系统适应性要求高的特点,建立高超声速飞行器姿态运动模型,采用解耦设计方法,利用块控反步控制理论设计姿态控制器。经证明和仿真结果表明,该方法严格保证闭环系统的Lyapunov稳定性,控制律设计具有灵活性,响应速度快,能克服气动参数变化带来的影响,鲁棒性较好。     

应用时标分离和动态逆方法设计飞行器的姿态控制系统

在对飞行器的姿态控制过程中,针对飞行器姿态控制系统模型的非线性特性,线性的控制方法难以直接应用,应用非线性控制理论来设计姿态控制律十分必要。结合时标分离的思想将系统姿态的运动学部分和动力学部分分别视为慢变子系统和快变子系统,2次应用动态逆的设计方法来设计控制律,仿真结果表明,系统能够快速地跟踪期望的姿态角,跟踪的精度高,该方法简单可行,具有一定的实用性。     

四旋翼高阶滑模控制器设计与仿真

针对四旋翼飞行器的欠驱动滑模控制对飞行器模型依赖严重问题、飞行器数学模型的特点与姿态及位置控制问题,提出了一种滑模控制算法。将飞行器整体控制分为内环控制和外环控制两部分,设计不依赖精确数学模型的滑动模。该算法采用高阶滑模削弱抖振,从而实现四旋翼飞行器的稳定控制,同时也提高了控制的精度,消除了相对阶的限制。仿真和实验结果表明,相比于传统的PID控制器,所设计的控制器对未知扰动具有较好的鲁棒性,并能够实现4 s内完成定点定姿态飞行,验证了算法的有效性。     

改变系统结构的多环姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪控制中存在稳态误差和转动惯量摄动未知的问题,给出一种高精度自适应姿态跟踪控制策略。通过扩展姿态动力学系统结构,将姿态角积分项引入姿态控制器中,以消除稳态误差和提升姿态跟踪精度,给出扩展系统的期望轨迹设置方法。给出一种结构更为简化的多环递归跟踪控制策略,结合自适应估计设计了自适应多环递归姿态跟踪控制器。与滑模自适应控制器对比仿真,验证了方法的优越性。     

基于MATD的高超声速飞行器反演控制

针对高超声速飞行器弹性体模型,提出了一种基于改进的反正切跟踪微分器(MATD)的鲁棒反演控制器。将控制系统分为高度和速度子系统,采用反演方法设计虚拟控制量和实际控制量。引入MATD对高阶系统虚拟控制量求导,避免了传统反演方法"微分膨胀"的问题。基于MATD设计干扰观测器,对模型不确定项进行精确估计,增强了控制器的鲁棒性。最后,通过实例仿真验证,该控制器对速度和高度指令具有很好的跟踪效果,且具有较强的鲁棒性。     

空间电磁对接鲁棒姿态控制

面向在轨服务的空间电磁对接技术具有广阔应用前景,但其姿态控制设计存在强非线性及耦合性问题需要解决,电磁/地磁力矩干扰姿态系统稳定。针对绝对/相对姿态动力学模型,分别采用反馈线性化以及鲁棒H∞控制综合方法、扩张状态观测器以及鲁棒H∞控制综合方法设计姿态控制系统。理论研究、对比分析两种控制策略特点,并通过仿真验证了所设计控制系统的可行性。理论研究及仿真结果表明:两种控制策略都是可行的,对模型参数变化及外界干扰具有较强鲁棒性;基于相对姿态动力学的综合控制设计方法能有效利用航天器相对姿态测量信息,且无需额外设计状态估计器。     

非线性干扰观测器的高超声速飞行器自适应反演控制

针对高超声速飞行器参数不确定弹性体模型,提出了一种基于非线性干扰观测器的自适应反演控制器设计方法。将曲线拟合模型表示为严格反馈形式,采用反演方法设计控制器。采用动态面方法获取虚拟控制量的导数,避免了传统反演控制"微分项膨胀"问题。为了增强控制器的鲁棒性,基于二阶跟踪-微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,以此对模型不确定项进行自适应估计和补偿。仿真结果表明,控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有强鲁棒性,且能实现对速度和高度参考指令的稳定跟踪。     

约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制

针对BTT导弹在飞行过程中模型存在较大不确定性,并且控制舵的摆角受到物理装置约束的情况,研究了在约束条件下导弹姿态跟踪保性能控制的设计问题。首先在弹道的特征点处将导弹的非线性运动瞬时线性化,将导弹看作是一个不确定线性系统,提出应用基于线性矩阵不等式的跟踪保性能控制设计姿态控制器,然后推导得到满足控制约束的充分条件,以定理的形式给出了约束条件下跟踪保性能控制存在的充分条件。最后以某型导弹的姿态控制为例,设计了其姿态的跟踪保性能控制器。六自由度仿真结果表明了所得方法的有效性和可行性。     

基于反步法的无人翼伞航迹跟踪控制

为实现无人翼伞飞行器的直线航迹跟踪控制,提出了一种基于模拟对象的可变增益反步跟踪控制方法。基于模拟对象方法得到翼伞飞行器的航迹跟踪误差模型,并针对该模型设计了可变增益反步跟踪控制律,在保证稳定性的同时提高了系统的跟踪精度。将控制器应用于无人翼伞飞行器平面航迹跟踪控制中,仿真实验表明,所设计的控制器可以实现航迹的精确跟踪,且具有很好的鲁棒性。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器Terminal滑模控制

针对高超声速飞行器控制系统纵向平面轨迹跟踪问题,提出了一种基于干扰观测器的终端(Terminal)滑模控制器设计方法。将结构的弹性振动视为刚体动力学系统中的不确定因素,采用Terminal滑模控制方法设计速度和高度控制器。为增强控制器的鲁棒性,设计了一种非线性干扰观测器对模型不确定项进行自适应估计和补偿。仿真实验表明,该控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性,能够实现对速度和高度参考输入的稳定跟踪。     

欠驱动再入飞行器的抗饱和姿态控制器设计（英文）

针对只有两个舵的欠驱动再入飞行器,设计了具有抗饱和功能的姿态跟踪控制器。控制器的设计过程中,首先将姿态运动学与动力学模型分解成慢回路和欠驱动的快回路,然后分别针对快回路和慢回路设计了超扭曲滑模控制器和分层滑模控制器,最后通过仿真验证了该方法的有效性。     

欠驱动再入飞行器的抗饱和姿态控制器设计

针对只有两个舵的欠驱动再入飞行器,设计了具有抗饱和功能的姿态跟踪控制器.控制器的设计过程中,首先将姿态运动学与动力学模型分解成慢回路和欠驱动的快回路,然后分别针对快回路和慢回路设计了超扭曲滑模控制器和分层滑模控制器,最后通过仿真验证了该方法的有效性.     

变质心再入飞行器自抗扰控制器设计(英文)

再入飞行器采用变质心控制不但可以保持较好的气动外形,还町以增大机动能力,但变质心控制较强的非线性和耦合性大大增加了控制系统设计难度,使控制器设计和实施的代价较高。针对这一问题,基于自抗扰控制技术,设计了变质心再入飞行器双通道解耦控制器。通过构造连续光滑扩张状态观测器,不加区分飞行器的各类干扰与耦合,对其统一进行估计:利用非线性状态反馈控制律,并自适应调节控制参数对其进行补偿,实现对飞行器姿态的解耦控制。仿真结果表明:该方法大大降低了对系统模型精度的要求与控制器设计实施代价,对变质心再入飞行器非线性、耦合性以及参数摄动具有较强的鲁棒性。