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空中无人加油自主对接导航制导与控制

航空学报 2023年第20期44卷 18-34,F0002页

作者：杜昕朱喆胡芳芳黄江涛刘刚章胜单恩光唐骥罡中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所绵阳621000

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... 详细信息

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。

关键词：自主空中加油非线性制导鲁棒伺服控制视觉导航飞行试验

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空中无人加油自主对接导航制导与控制技术研究

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航空学报 2023年

作者：杜昕朱喆胡芳芳黄江涛章胜单恩光唐骥罡中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所

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... 详细信息

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。

关键词：自主空中加油非线性制导鲁棒伺服控制视觉导航飞行试验

基于LMI方法的中频电源的动静态和鲁棒性能优化控制

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海军工程大学学报 2022年第4期34卷 80-86页

作者：张银锋邵英李陆军孙盼海军工程大学电气工程学院武汉430033 空军预警学院雷达士官学校武汉430019

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... 详细信息

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。

关键词：中频电源鲁棒伺服控制线性矩阵不等式滑模控制鲁棒D区域

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四旋翼飞行器飞行控制技术研究

四旋翼飞行器飞行控制技术研究

作者：堵湘君南京航空航天大学

学位级别：硕士

四旋翼飞行器凭借简单的结构、独特的飞行方式以及广阔的应用前景成为现今研究和应用的热点之一,然而由于其强耦合、非线性和对外界干扰敏感等复杂特性,使得系统的控制设计具有很大的难度。本文以四旋翼飞行器为研究对象,在建立飞行器... 详细信息

四旋翼飞行器凭借简单的结构、独特的飞行方式以及广阔的应用前景成为现今研究和应用的热点之一,然而由于其强耦合、非线性和对外界干扰敏感等复杂特性,使得系统的控制设计具有很大的难度。本文以四旋翼飞行器为研究对象,在建立飞行器模型的基础上,设计自适应能力强和鲁棒性好的飞行控制器以保证飞行品质和实现安全可靠飞行。首先,详细描述了四旋翼飞行器的飞行原理,利用动量定理和叶素理论分析了旋翼基本动力学,结合飞行器的受力情况,采用欧拉角表示法建立了非线性数学模型并分析了其特性。其次,在分析控制系统总体框架和明确内、外回路控制器功能的基础上,针对四旋翼飞行器易受外部扰动和模型不确定等问题,设计了一种基于鲁棒伺服线性二次型控制和鲁棒模型参考自适应控制相结合的姿态内回路控制器,有机融合了两种控制方式的优点,增强了系统的鲁棒性,实现了飞行姿态的高效精确控制。然后,为满足飞行器定点悬停和轨迹飞行的需求,设计了基于经典控制理论的速度和位置控制器,根据飞行器的多种飞行任务,制订了相应的制导指令和控制策略,实现了飞行器的指令飞行和自主飞行功能。最后,搭建了Matlab/Simulink下的数值仿真环境,完成了四旋翼飞行器的飞行仿真。仿真结果验证了飞行控制律的鲁棒性和制导指令的合理性,表明在外界干扰和参数摄动的不利影响下,控制器仍然能够有效稳定地跟踪指令且满足控制要求。

关键词：四旋翼飞行器数学建模鲁棒伺服控制鲁棒模型参考自适应控制数值仿真

光伏发电并网系统MPPT技术及双闭环控制策略研究

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光伏发电并网系统MPPT技术及双闭环控制策略研究

作者：黄兴东北石油大学

学位级别：硕士

能源问题和环境问题的愈发严峻使风能和太阳能等新能源发电技术得到了快速的发展。但是这两种新能源发电系统容易受天气的影响,而并网逆变器是并网发电系统的核心部分,所以它的可靠性尤为重要。因此,本文以光伏发电并网系统为研究对象,... 详细信息

能源问题和环境问题的愈发严峻使风能和太阳能等新能源发电技术得到了快速的发展。但是这两种新能源发电系统容易受天气的影响,而并网逆变器是并网发电系统的核心部分,所以它的可靠性尤为重要。因此,本文以光伏发电并网系统为研究对象,对最大功率点跟踪和双闭环控制技术展开研究。对光伏发电系统和光伏电池进行了建模和分析,在此基础上介绍了一些常用的MPPT算法,针对传统方法收敛性差,抗干扰能力不足以及可能发生误判等缺陷,本文提出了新的基于蚁群算法的生物启发MPPT(ACO NPU MPPT)控制器,该控制器采用了一种新的信息素更新策略,节省了计算时间,具有良好的跟踪能力,具有高精度、高鲁棒性和零振荡的优点。在电压电流双闭环控制策略方面,首先分析了电源变换器系统,并在此基础上提出了基于离散滑模和鲁棒控制的双闭环控制系统。并分析了离散滑模控制和鲁棒控制方法应用在本系统中的优势。在电压外环控制中引入鲁棒伺服控制,在电流内环控制中引入离散滑模控制,离散滑模和鲁棒控制的结合大大提高了双闭环系统的鲁棒性,克服传统的双闭环系统抗干扰能力差的缺点,能够快速对电流进行控制,并且降低了稳态误差。利用Matlab平台中的Simulink对整个光伏发电并网系统进行仿真验证。通过Matlab GUI界面构建系统各部分模块,以基于受控电压源的DC-DC变换器模型为基础的直流电压源作为补偿,解决太阳能在自然天气条件下输出电能不稳定的问题。仿真结果表明基于离散滑模和鲁棒控制的双闭环控制能够有效地抑制电能质量扰动的发生。为了证明所提出的ACO NPU MPPT控制器的优越性和鲁棒性,将仿真结果与传统方法和人工智能软计算方法和其他的生物启发法的仿真结果进行比较和分析。所得结果表明,所提出的ACO NPU MPPT控制器在变化的大气条件下具有最佳的性能,并且可以准确的跟踪局部阴影条件下的全局最大功率点(GMPP)。

关键词：光伏发电并网系统 MPPT 蚁群算法信息素更新离散滑模控制鲁棒伺服控制双闭环控制

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某高速靶机机动飞行控制技术研究

某高速靶机机动飞行控制技术研究

作者：李雪兵南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着发动机技术的不断进步,三代机、四代机强劲的机动能力给防空武器带来的压力与日俱增。为了模拟这种机动飞行的特性,迫切地需要靶机具备机动飞行的能力。因此本文以靶机的筋斗、蛇形机动为例研究机动飞行中存在的问题,并在此基础上... 详细信息

随着发动机技术的不断进步,三代机、四代机强劲的机动能力给防空武器带来的压力与日俱增。为了模拟这种机动飞行的特性,迫切地需要靶机具备机动飞行的能力。因此本文以靶机的筋斗、蛇形机动为例研究机动飞行中存在的问题,并在此基础上设计了机动飞行控制策略,实现了快速、稳定的机动飞行。内容主要包括:(1)针对筋斗、蛇形机动的运动过程,从运动学和动力学原理出发,分析机动飞行过程中存在的问题、难点以及控制需求,提出了基于角速率控制的机动飞行控制方案。(2)针对机动飞行中的非线性特性,首先对运动模型进行简化,抽象出能反应运动特征的数学模型;其次针对抽象模型中存在的非线性因素进行分析,提炼出解耦的控制策略;最后在非线性解耦的基础上设计动常一体的控制律架构。(3)综合应用鲁棒伺服控制和模型参考自适应控制设计了基于角速率的主辅架构控制律。其中鲁棒伺服控制策略保证了闭环控制系统鲁棒性能,自适应控制器主要补偿模型中的不确定性因素,共同保证对机动指令的快速、稳定、有效的跟踪。最后在Matlab/Simulink环境下构建了数学仿真环境,对设计的筋斗机动、蛇形机动以及两者组合的殷麦曼翻滚机动进行仿真验证。仿真结果表明,在有界扰动和参数摄动的情况下,机动控制律仍然能够快速有效的跟踪机动指令,具有良好的鲁棒性和稳定性,满足了机动飞行控制的要求。

关键词：靶机机动飞行控制解耦鲁棒伺服控制模型参考自适应控制

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飞翼舰载无人机着舰控制技术研究

飞翼舰载无人机着舰控制技术研究

作者：张孝伟南京航空航天大学

学位级别：硕士

舰载机是现代航母战斗群的主要打击力量,随着技术发展和战场任务需求,无人机上舰已成为一种必然的趋势。复杂的着舰环境和甲板的六自由度扰动运动使得着舰段成为无人机整个飞行过程中风险性最高的阶段。本文针对飞翼无人机着舰存在的控... 详细信息

舰载机是现代航母战斗群的主要打击力量,随着技术发展和战场任务需求,无人机上舰已成为一种必然的趋势。复杂的着舰环境和甲板的六自由度扰动运动使得着舰段成为无人机整个飞行过程中风险性最高的阶段。本文针对飞翼无人机着舰存在的控制问题,研究了自动着舰的控制和制导技术,实现了无人机的安全、可靠着舰。根据无人机与航母的相对运动关系,应用相对运动学原理,建立了机舰相对运动模型,给出了相对轨迹运动和相对姿态运动的准确数学描述。结合无人机动力学特性,在融合得到了无人机的侧滑角变化率的基础上,设计了飞翼无人机的航向增稳控制律,解决了样例无人机航向不稳定问题。在分析了航母斜角甲板对无人机着舰轨迹跟踪的影响后,应用鲁棒伺服控制理论,设计了平动轨迹跟踪控制律,实现了无人机对斜角甲板的精确跟踪。针对着舰末端无人机为跟踪航母运动而引起的姿态和轨迹的耦合问题,制定了姿态与轨迹的解耦控制策略,应用自适应动态逆理论,设计了相对俯仰角控制律和基于动压的相对高度控制律,实现了无人机对着舰相对轨迹线的高精度跟踪,有效地抑制了航母纵摇运动和垂荡运动对无人机着舰轨迹跟踪的影响,保证了无人机安全着舰。在Matlab/Simulink环境下搭建数字仿真模型,完成了自主着舰仿真验证。仿真结果验证了着舰控制律与制导律抗扰动能力强,能够克服舰尾气流场等外界因素对无人机着舰的不利影响,满足了飞翼无人机安全着舰的控制要求。

关键词：飞翼无人机着舰控制技术相对运动建模鲁棒伺服控制自适应动态逆