基于微分器的轨迹线性化控制方法及其应用

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1、2015年7月第41卷第7期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2015VoI．41No．7http：ffbhxb．buaa．edu．CBjbuaa@buaa．edu．CBDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2014．0544基于微分器的轨迹线性化控制方法及其应用邵星灵1”，王宏伦“”，张惠平3，张晓峰1'2(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；2．北京航空航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室，北京100191；3．北京航

2、天自动控制研究所，北京100854)摘要：针对当前轨迹线性化控制(TLC)方法对系统中的不确定性存在鲁棒性不足的问题，受非线性跟踪微分器设计思路的启发，提出了一种基．于微分器设计原则的轨迹线性化控制方法．首先，引入二阶线性微分器(SOLD)的概念，通过理论分析指出了当前轨迹线性化控制方法中采用一阶惯性+伪微分器求取标称指令的微分信号时，会存在与二阶线性微分器类似的峰值现象，随后利用韩式跟踪微分器(TD)求取标称指令及其微分信号，避免了该现象的同时又赋予了系统在控制量的约束范围内调节响应快慢的能力；其次，通过构造期望的闭环系统，跟踪误差动态，直接获取线性时变(LTV)系统

3、的控制量，使得参数整定不再依赖于并行微分(PD)谱理论，在此基础上，将混合微分器(HD)的非摄动形式等价为期望的闭环系统跟踪误差动态，以提升轨迹线性化控制方法的鲁棒性，同时借助Lyapunov稳定性理论证明了受扰系统的跟踪误差最终一致有界；最后，利用所提出的轨迹线性化控制方法设计了高超声速飞行器的姿控系统并进行了相应的仿真．结果表明：存在大范围气动参数摄动的情况下，本方法仍具有较好的控制性能及抗干扰能力，能够满足高超声速飞行器快时变、高精度以及强鲁棒的控制需求．关键词：轨迹线性化控制方法；二阶线性微分器；非线性跟踪微分器；混合微分器；高超声速飞行器中图分类号：TP249

4、．1文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)07．1259—10轨迹线性化控制(TrajectoryLinearizationControl，TLC)是Zhu等在20世纪90年代中后期逐步建立并发展起来的一种有效新颖的非线性跟踪和解耦控制方法¨⋯．由于其具有特定的控制结构(开环前馈求伪逆+闭环反馈调节跟踪误差)，使得系统输出沿着标称轨迹指数稳定，从而保证了TLC具有一定的鲁棒性和较强的抗干扰能力，目前已被成功应用于空天飞行器¨刮以及机器人控制¨o等系统．但文献[4]研究发现，当系统中不确定性增大至一定程度，TLC的控制性能将会遭到破坏甚至失效．因此，针对T

5、LC方法的弊端，如何改善或提高TLC的控制性能及抗干扰能力成为了近年来的热点研究问题"⋯．目前针对该问题所采取的解决思路可归纳如下：基于“观测+补偿”的思想，利用神经网络”引或者模糊逻辑∽1对不确定性因素的良好逼近能力，来抵消不确定性对系统的影响．因此研究内容主要集中在补偿器的设计、引人补偿器后复合系统的稳定性分析与证明等方面．其中Liu等¨1针对一类非线性系统，研究了基于自适应神经网络的TLC控制方法，提高了闭环系统的鲁棒性．朱亮等¨1针对近空间飞行器的姿控问题，研究了基于单隐收稿日期：2014-09-05；录用日期：2014．10—17；网络出版时间：2014—12

6、．1708：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20141217．0834．001．html基金项目：国家自然科学基金(61175084)；长江学者和创新团队发展计划(IRT13004)；航空科学基金(2014ZA51002)作者简介：邵星灵(1988一)，男，江苏扬州人。博士研究生，huanyint93557913@sina．COrn+通讯作者：王宏伦(1970一)，男，陕西蓝田人，教授，hi—wang_2002@126．com，主要研究方向为无人机自主飞行控制、管理与决策．引用格式：邳星灵，王宏伦，张惠平，等．基于

7、微分器的轨迹线性化控制方法及其应用fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41f7)1259—1268．ShaoxL，WangHL，ZhangHP，et“．ControlmethodandapplicationsofrobusttrajectorylinearizationvianonlineardifferentiatorsfJJ．joumalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f7)：1259-1268(inChinese)．1260北京航空航天大学学报2015