基于自适应Backstepping方法的无人飞艇纵向受限控制

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ＪｏＩ　ＪＲＮＡＬ　ＯＦ　ＪＩＡＮＧＳ【Ｊ　ＵＮｌＶＥＲＳ！ＴＹ（Ｎａｔｍ・ａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎｌ　Ｎｏ．５　１　ｌＮｏ　５　ｉ　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—７７７５．２０１　１．０５．０１１　

基于自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法的无人　

飞艇纵向受限控制　

冯　星　，邹　杰　

（１．光电控制技术重点文验室，河南洛阳４７１００９；　，陈谋　，尹卫平　

２．南京航空航人大学Ｆｔ动化学院，江苏南京２１００１６）　

摘要：针对无人飞艇受扰纵向运动难以控制的特点，提出了一种基于自适应Ｂａｅｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法的鲁　

棒受限控制方法．首先对于飞艇模型中的外部时变干扰，采用参数自适应方法进行有效的处理．然　后在无人飞艇飞行控制器设计时，明确考虑到非对称输入饱和限制的影响．引入一个辅助分析系　

统，对无人飞艇输入限制的影响进行有效分析．同时将辅助分析系统和Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法相结合，　最终为无人飞艇纵向运动设计了自适应受限飞行控制．结果表明：在所设计的自适应受限飞行控制　

作用下，能有效地处理受扰无人飞艇的时变外部干扰和输入饱和限制，能快速达到理想高度且跟踪　

到俯仰角参考指令，是一种有效的无人飞艇受限飞行控制方法．　关键词：无人飞艇；纵向运动；飞行控制；自适应控制；Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—７７７５（２０１１）０５—０５５２—０５　

Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　

ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｓｈｉｐ　

Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　

Ｆｅｎｇ　Ｘｉｎｇ　，Ｚｏｕ　ｌｉｅ　，Ｃｈｅｒｔ　Ｍｏｕ　，Ｙｉｎ　Ｗｅｉｐｉｎｇ　（１　Ｋｅｙ　ＬａｂｏｒａｔｏＵ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ—Ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ　４７１００９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｔｌｅｅｒｉｎｇ，Ｎａ　ｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｓｈｉｐ，ａ　ｒｏｂｕｓｔ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｐａ—　

ｒａｍｅｔｅｒ　ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｔａｃｋｌｅ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｉｒｓｈｉｐ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｉｎｐｕｔ　ｃｏｎ—　

ｓｔｒａｉｎｔｓ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ａｎ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｃｔｍｓｔｒａｉｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃａｎ　ｅｆｔ￣ｃｔｉｖｅｌｙ　ｔａｃｋｌｅ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｔｉｍｅ—ｖａｒｙｉｎｇ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｉｎｐｕｔ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｏｆ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｓｈｉｐ．Ｔｈｅ　ｄｅ—　

ｓｉｒｅｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｏ　ｔｒａｃｋ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｏｔ’ｔｈｅ　ｐｉｔｃｈｉｎｇ　ａｎｇｌｅ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎ—　

ｓｔｒａｉｎｅｄ　ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｓｈｉｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｓｈｉｐ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｍｏｔｉｏｎ；ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；　

Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

錾　智　０家１０Ｉ－１然１０科－０学９基金资助项目（省自然科学基金资助项ｆ１（２０）９０７１６０２８　ＳＢＫ００８３９０；光电控制技术币点实验帘　金资助　基金项目：【日家九然科学基金资助项目（）；ｆ【　省自然科学基金资助项¨（　；光电挎制技术　‘　验　资助　

ｓｏ｛Ｈ（２０１０５１５２０２９）　作者简介：　ｇ．（１９　７１－－　），帅￣，￣，，Ｉ　ｆ４￣４５　１ＩＨ　Ａ，童曩丰　ｚｏｕ　ｊｉｅ　＠　１６３　ｃｏｉｎＩ¨　黼　杰（１９７７一），男，河南郑州人，高级工　师（　．　），主要从事　挎制牛１】火　制刖　允　卷　一郫　一　ｒ－．

Ｌ　由于无人飞艇在安全监控、灾情获取、交通管制　和军事侦察等方面有着广泛的实际应用以及发展前　

景，无人飞艇的相关技术被广泛研究从而不断发　展ｌ】　Ｊ．无人飞艇的稳定性是飞艇完成各种任务的　

前提条件，同时无人飞艇在飞行过程中受到各种外　

部干扰的影响，例如风干扰，往往会使无人飞艇偏离　指定位置，因而为其设计出抗干扰能力强的鲁棒飞　

行控制是非常必要的．文献［３］基于轨迹线性化方　

法研究了飞艇姿态控制，而文献［４］对高空飞艇的　高度保持控制器进行了设计；文献［５］基于自适应　

动态逆研究了飞艇自主速度控制；文献［６］针对具　有扰动的高空飞艇，设计了鲁棒姿态控制系统，而文　

献［７］研究了平流层飞艇姿态鲁棒控制．在飞艇的　

飞行模式中定点飞行控制是一个重要的研究方向，　得到了广泛地研究。。Ｉ９　Ｊ．在飞艇定点飞行控制中，纵　

向运动控制是需重点考虑的问题．文献［９］研究了　

改变飞艇重心位置控制纵向运动，而文献［１０］研究　了无人飞艇的鲁棒航向控制系统设计．但目前有关　

无人飞艇的控制技术都还没有考虑到输入饱和限　制，而输入饱和限制在实际系统总是存在的，因此有　

关具有饱和限制的飞艇鲁棒控制方法还需进一步　研究．　Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法是９０年代初由Ｋｏｋｏｔｏｖｉｃ及　

其合作者提出的一种非线性系统控制器设计方法．　Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法在处理非线性问题时显示出其独　

特的优越性，特别是针对级联线性或非线性系统，通　

过选取合适的Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数，在构造辅助控制输入　的同时补偿不确定性的影响，最终得到稳定的控制　律…　．而且Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法在控制器设计中，　

能够有效利用非线性系统本身固有的非线性特性，　

在处理时提供了更大的灵活性．因此将Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　

方法用于无人飞艇飞行控制具有较为广阔的发展前　景．同时已存在的飞行控制方案，在飞行控制器设计　

时未明确考虑到输入饱和限制．事实上，饱和限制在　飞艇飞行控制系统中总是存在的，因为飞艇的舵面　

偏转角总是具有区问限制．因而利用Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ　方法研究具有输入饱和的飞艇飞行控制器具有重要　

的理论和实际应用价值．　

文中拟利用Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法，对具有外部干　扰和输入饱和限制的飞艇纵向运动提出一种鲁棒自　

适应飞行控制方案，采用参数自适应方法对飞艇模　型中存在的时变外部干扰进行有效的处理，同时引　人一个辅助分析系统，对无人飞艇输入限制的影响　

进行有效分析，并将辅助分析系统的状态应用于　Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ飞行控制的设计　

１．自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ受限控制　

考虑到所设计的自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制要应　用于无人飞艇的飞行控制，同时为了方便描述其设　

计过程，自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制的被控对象选为　如下形式：　

ｆ戈　２’　（１）　【　２＝　Ｘ）＋ｂ（ｘ）Ｕ＋ｄ（ｘ，ｔ），　、　

式中：Ｘ＝［　，　］　为系统状态矢量；厂（　）为已知函　

数；控制变量ｂ（Ｘ）是时变的且为依赖于Ｘ的一个已　

知连续函数；ｄ（ｘ，ｔ）为时变的外部干扰且满足不等　式Ｉｄ（ｘ，ｔ）Ｉ≤ｐ（　）　；ｐ（Ｘ）为光滑已知函数；　为未　

知常数．　

根据无人飞艇的作动器实际运行情况，控制输　入各个分量的上下界限值存在不一致的情况，建立　

的非对称受限模型数学表达式为　

一Ｕ…≤Ｕ≤Ｕ　，　（２）　式中：“…和“…为已知的控制输入上下界，且有　

Ｕ　≠Ｕ　．所以控制输入的非对称的饱和限制为　

ｒＭ　，　『上。＞ｕｍａｘ，　“＝２『上ｏ，　一Ｍ…≤『上ｏ≤Ｍｍ　，　（３）　【一　…，　。＜一　…，　式中：‰为需要设计的理想控制律的第ｉ个分量．　自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制的设计步骤如下：　

１）定义误差变量　＝　。一　，其中　为跟踪指　

令信号且其２阶可导，则有　

ｌ＝　１一膏ｄ＝　２一　ｄ．　（４）　虚拟控制量设计为　

ｌ＝一ｋｌ　ｌ一戈ｄ，　（５）　

式中：　，＞０．　定义另一个误差变量为　

。２＝　２一ＯＬ１．　（６）　选取Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数为　

１　。＝—　．　（７）　

则有　

Ｖｌ＝２＇１　ｌ：　ｌ（　２一　ｉ）＝。Ｉ（　２＋　Ｉ一　ｄ）．　（８）　

将式（５）代入式（８）得　

Ｖ１＝一　ｌ　＋　ｌ　２，　（９）　式中：等式右边第１项小于０；对于第２项，需要在　

下一步设计中考虑．

　２）选取如下的Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数　

＝　＋　；．　（１０）　

由于　

２＝戈２一ｄｌ＝ｌ厂（Ｘ）＋６（Ｘ）Ｕ＋ｄ（Ｘ，ｔ）一ｏ２１，　

（１１）　式中：＆　＝一后　＋　．对　求导可得　

＝一　ｌ　＋Ｚ１　２＋ｚ／（　）＋Ｚ２ｂ（Ｘ）Ｕ＋　

Ｚ２ｄ（Ｘ，ｔ）一Ｚ２ｏｉｌ≤一　ｌｚ　＋　】　２＋ｚ／（Ｘ）＋　

Ｚ２ｂ（ｘ）／３，＋Ｚ２ｓｇｎ（　２）ｐ（　）　～Ｚ２ｏ２１．　（１２）　为了分析输入限制的影响，引入辅助分析系统　来分析输入限制的影响，并将辅助系统的状态用于　

飞艇飞行控制器的设计．辅助分析系统设计为　

矿＝｛０２　２１　＋　＋△Ｍ’：　：　三：ｃ　３　

式中：　：一　；　＞０；占　

为大于０的设计常数；Ｏ－为辅助设计系统的状态；　

Ｕ…＝ｌ￣ｌａｘ（Ｉ　ｕ…ｌ，Ｉ『上　Ｉ），且有Ａｕ：Ｍ—Ｍ（１．　选择的Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数为　

＝　＋÷ｒ，　．　（１４）　

考虑到式（１２）和式（１３），对　求导可得　

Ｖ２　＝Ｉ　Ｉ＋　Ｔ　２２＋　＝一　Ｉ　＋　Ｚ１　２＋ｚ／（Ｘ）＋Ｚ２ｂ（ｘ）　＋Ｚ２ｓｇｎ（ｚ２）ｐ（　）　—　

Ｚ２ｄ１一ｋ２ｌｏｒ　一ＩＺ２ｂ（Ｘ）△ＭＩ一０．５Ａｕ。一　

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大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制

王鹤;李智斌

【期刊名称】《空间控制技术与应用》

【年(卷),期】2017(043)002

【摘要】大气紊流是影响高空飞艇水平面内运动的重要原因,紊流扰动对飞艇的安全性能和定点悬停有严重影响,能否克服扰动,直接决定飞艇的载荷能力和续航时间.根据高空大气紊流的特点以及紊流风速对飞艇姿态调整的影响建立风场的传递函数模型,根据风速三角形关系建立扰动下的飞艇水平面内动力学模型,利用内模控制原理设计出内模控制器,将扰动信号反馈到系统的输入端,从而对扰动进行直接控制.仿真结果表明所设计的控制器可以有效抑制大气紊流对飞艇飞行性能的影响.

【总页数】7页(P43-49)

【作者】王鹤;李智斌

【作者单位】北京控制工程研究所,北京100190;空间智能控制技术重点实验室,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190;空间智能控制技术重点实验室,北京100190

【正文语种】中文

【中图分类】V249

【相关文献】

1.控制分配在平流层飞艇姿态控制中的应用 [J],

2.基于PID神经网络的平流层飞艇姿态控制研究 [J], 张一;刘龙斌 3.基于Backstepping的带推力矢量飞艇姿态控制系统设计 [J], 李超群;陈澜

4.用VOF方法模拟横流下窄缝紊动射流 [J], 袁丽蓉;沈永明;郑永红

5.基于L1自适应的无人飞艇俯仰姿态控制器设计 [J], 赵霞军;张家飞;陆鹏

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舰尾流扰动下无人机着舰纵向控制律设计

第27卷第8期2020年8月电光与控制Electronics Optics & ControlVol. 27 No. 8Aug. 2020引用格式:彭争，聂宏，李春涛，等•舰尾流扰动下无人机着舰纵向控制律设计[J] •电光与控制,2020,27(8) ： 69-74. PENG Z, NIE H, LI C T, et al. Design of longitudinal carrier landing control law for UAVs under air wake disturbance[ J]. Electronics Optics & Control, 2020, 27(8) ：69-74.舰尾流扰动下无人机着舰纵向控制律设计彭争，聂宏，李春涛，张明(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京210016)摘要：针对舰尾流导致无人机着舰误差较大的问题，采用动态逆与自适应控制方法，设计了一种自动着舰控制律。该控制律能够克服模型的不确定性和外界干扰，实现良好的俯仰角速率和迎角跟踪效果，并通过投影算子保证了自适应参数的有界性。而基于动态逆的轨迹跟踪控制器用于实现精确的轨迹控制，减小着舰的跟踪误差。仿真结果表明：所提控制方法具有较高的跟踪精度和良好的鲁棒性，能够适应舰尾流下的无人机着舰纵向控制要求。关键词：舰尾流；动态逆；自适应；着舰中图分类号：V279 文献标志码：A doi：10.3969/j. issn. 1671 -637X.2020.0&014Design of Longitudinal Carrier Landing Control Law for UAVs Under Air Wake DisturbancePENG Zheng, NIE Hong, LI Chuntao, ZHANG Ming(National Defense Key Science Laboratory of Advanced Aircraft Design Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract: To solve the problem that the ship's wake causes large carrier landing error of UAVs, dynamic inversion and the adaptive control method are used to design an automatic carrier landing control law. The control law can overcome the uncertainty of the model and external disturbances, achieve good tracking results of pitch rate and angle of attack, and guarantee the boundedness of the adaptive parameters through the projection operator・ The trajectory tracking controller based on dynamic inversion is used to achieve accurate trajectory control and reduce the tracking error of ship landing. The simulation results show that the proposed control method has high tracking accuracy and good robustness, and can meet the long让udinal control requirements of UAV's carrier landing under air wake.Key words: air wake ； dynamic inversion ； self-adaption ； carrier landing0引言无人机着舰是实现无人机海上作战的关键技术之一，近年来受到了国内外的广泛关注UT。其中，着舰过程中的舰船尾流是造成着舰误差的一个重要来源, 由于其距离着舰末端很近，如果不加以抑制，会造成巨大的着舰误差。文献［5］设计了自适应滑模着舰控制律,能够有效抑制外部干扰及模型不确定性造成的着舰误差，但收稿日期=2019-07-23 修回日期=2019-08-21基金项目:江苏高等优势学科建设工程资助项目作者简介:彭争（1995 ―）,男，安徽芜湖人，硕士生,研究方向为无人机控制和无人机路径规划。未能很好解决抖振问题;文献［6 ］采用高阶滑模控制降低了控制引起的抖动;文献［7］引入了进场动力补偿系统来提高航迹跟踪的稳定性,但是其基于小扰动线性化模型的设计方法难以适应无人机在受扰时的复杂非线性特性;文献［8 ］建立了无人机着舰的非线性模型,使用动态逆方法解除了模型的非线性特性和输入耦合，通过逐环设计的方法设计了内外环的控制器,取得了良好的效果，但是其并没有考虑模型不确定性，在模型参数发生较大变动的情况下难以保证良好的稳态性能和跟踪性能。为此,本文设计了一种动态逆和自适应控制相结合的着舰控制律,在存在参数不确定性和舰尾流扰动情况下，实现无人机的高精度轨迹跟踪

基于Backstepping的高超声速飞行器鲁棒自适应控制

黄喜元;王青;董朝阳

【期刊名称】《系统工程与电子技术》

【年(卷),期】2011(33)6

【摘要】针对非线性、多变量、不稳定且包含不确定参数的高超声速飞行器模型,设计了高超声速飞行器的鲁棒自适应Backstepping控制器.采用指令滤波的设计方法,得到内回路的跟踪指令及其一阶微分信号,避免了虚拟控制信号需要进行复杂求导计算的困难.飞行器不确定参数采用自适应律在线调整,通过设计辅助滤波系统,并通过修改自适应律中跟踪误差的定义,消除由于期望控制信号不能完全执行所引起的跟踪误差的影响,保证了参数估计在控制信号约束情况下的顺利进行.仿真结果表明,所提出的设计方法不仅应用简单,且能保证高超声速飞行器在不确定参数存在情况下的闭环稳定及良好的跟踪控制性能.%A robust adaptive Backstepping

control approach is proposed for a hypersonic vehicle. The vehicle model

is nonlinear, multivariable, and unstable and includes uncertain parameters.

The command filtered approach is used to generate the tracking

commands and their first derivatives of inner loop, so that the tedious

analytic computation of virtual control signal derivatives is avoided. The

uncertain parameters are adapted online by Lyapunov-based update laws.

基于L1自适应的无人飞艇俯仰姿态控制器设计

测控技术

2019年第38卷第8期-129 -

计算机与控制系统

基于

L1自适应的无人飞艇俯仰姿态控制器设计

赵霞军，张家飞，陆鹏

（

中国特种飞行器研究所，湖北荆门448035）

摘要：针对无人飞艇模型复杂的非线性特性和不确定因素干扰姿态控制的问题，采用L1自适应控制方

法构建不确定参数模型，进行无人飞艇的纵向姿态控制律设计，提高了飞艇纵向控制抗扰能力。

通过建

立无人飞艇俯仰运动模型，结合LQR对系统进行反馈配置定性，并将系统配置型L1被

控对，利用子引入不确定参数对模型修正，得到自适应的控制算法。

结果表明，基于反馈

配置的L1自适应控制算法能够使无人飞艇的俯仰得到的瞬态和稳态性能，对系统参数摄动具

有较强的鲁棒性，可适用于无人飞艇的姿态控制。

关键词：无人飞艇;俯仰控制；

1自适应；鲁棒性

中图分类号:TP273 文献标识码：A 文章编号：1000 -8829（2019 ）08 -0129 -05

doi：

10.19708/j.ckjs.2019.08.026

Design of Pitch Attitude Controller for Unmanned Airship Based on LI Adaptive

ZHAO Xia-jun, ZHANG Jia-fei, LU Peng

(China Special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China)

Abstract：

Aiming at solving the complex nonlinear characteristics and uncertain disturbance to the attitude

control of unmanned airship, the L1 adaptive control method was adopted to construct the uncertain parameter

基于Backstepping模糊自适应的四旋翼飞行器控制

张硕;张学典;秦敏;陈征

【摘要】针对四旋翼飞行器轨迹跟踪模型中所受到的外界扰动和参数不确定性等问题,设计了基于模糊自适应反步法的控制策略.在姿态系统中,利用反步法设计控制器,对系统中不确定函数部分采用模糊逻辑系统进行在线逼近.对飞行器运动轨迹进行了跟踪仿真,取得了较为理想的控制效果,验证了该方法的可行性.

【期刊名称】《电子科技》

【年(卷),期】2017(030)002

【总页数】4页(P54-57)

【关键词】模糊控制;四旋翼飞行器;非线性系统;反步法

【作者】张硕;张学典;秦敏;陈征

【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093

【正文语种】中文

【中图分类】V249.1;TP273+.4

针对四旋翼飞行控制的研究已有很多经典的控制方法，例如自适应鲁棒方法、反步法、滑模控制方法、人工智能方法、以及优化方法等。反步法(Backstepping)又称反向递推控制。这种方法的主要设计思想是将多维非线性系统分解成多个子系统，并在每个子系统中设计虚拟控制律和Lyapunov能量函数，一直反推到最后一个子系统并完成真正的控制律的设计，通过构造的能量函数来最终保证系统稳定性和动态性能。

四旋翼飞行器在飞行时的姿态控制就是对3个姿态角(偏航角ψ，俯仰角θ，滚动角φ)的控制。如图1所示，Rotor1是四旋翼飞行器的头部，Rotor3是尾部，Rotor4和Rotor2分别是左右翼，则ψ角是绕本体坐标系zb轴转动的偏航角，θ角是飞行器头尾部绕本体坐标系yn轴转动的俯仰角，φ角是飞行器左右翼绕本体坐标系xb轴转动的滚转角。选取地面一点Oe作为原点，建立地面坐标系Oexeyeze，选取飞行器质点Ob作为原点，建立本体坐标系Obxbybzb。

基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法

控制技术计算机测量与控制

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收稿日期󰀡

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作者简介󰀡姜

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基于自适应滑模的欠驱动无人艇

轨迹跟踪控制算法

姜

!涛󰀡陈

!宇󰀡周兴阁

!同济大学机械与能源工程学院&上海

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摘要󰀡针对欠驱动水面无人艇在航行过程中存在的海洋环境干扰*数学模型参数不确定*执行器故障等问题&提出了一

种基于扰动观测器与神经网络技术的自适应滑模轨迹跟踪控制算法$在欠驱动无人艇的三自由度模型基础上&结合视线制导

律&提出了一种新的轨迹跟踪制导策略$采用自适应滑模控制技术设计了欠驱动无人艇的轨迹跟踪控制器&有效地抑制了执

行器衰减故障对无人艇控制系统产生的影响$同时运用了非线性扰动观测器和自适应径向基函数神经网络分别对无人艇受到

的外界时变干扰和模型参数不确定性进行补偿和拟合&提高了无人艇控制系统的鲁棒性$基于

JTE7P2FU定理证明了所设计的

控制算法的稳定性&并在

^:8J:

实现对欠驱动无人艇的精准控制$相较于对比算法&欠驱动无人艇在文章算法下的位置平均跟踪误差减小了

,#f以上&具备

较高的稳定性和容错能力%

关键词󰀡欠驱动无人艇$轨迹跟踪$视线制导法$滑模控制$扰动观测器$

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8N(*5H0,

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基于改进DDPG_算法的无人艇自适应控制

本文网址：/cn/article/doi/10.19693/j.issn.1673-3185.03122期刊网址：

引用格式：宋利飞, 许传毅, 郝乐, 等. 基于改进DDPG算法的无人艇自适应控制[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(1): 137–144.SONG L F, XU C Y, HAO L, et al. Adaptive control of unmanned surface vehicle based on improved DDPG algorithm[J].Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(1): 137–144 (in Chinese). 基于改进DDPG算法的无人艇

自适应控制

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宋利飞1,2，许传毅1,2，郝乐1,2，郭荣1,2，柴威*1,2

1 武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉 4300632 武汉理工大学船海与能源动力工程学院，湖北武汉 430063

摘要:［目的］针对水面无人艇（USV）在干扰条件下航行稳定性差的问题，提出一种基于深度强化学习（DRL）算法的智能参数整定方法，以实现对USV在干扰情况下的有效控制。［方法］首先，建立USV动力学模型，结合视线（LOS）法和PID控制器对USV进行航向控制；其次，引入DRL理论，设计智能体环境状态、动作和奖励函数在线调整PID参数；然后，针对深度确定性策略梯度（DDPG）算法收敛速度慢和训练时容易出现局部最优的情况，提出改进DDPG算法，将原经验池分离为成功经验池和失败经验池；最后，设计自适应批次采样函数，优化经验池回放结构。［结果］仿真实验表明，所改进的算法迅速收敛。同时，在训练后期条件下，基于改进DDPG算法控制器的横向误差和航向角偏差均显著减小，可更快地贴合期望路径后保持更稳定的路径跟踪。［结论］改进后的DDPG算法显著降低了训练时间成本，不仅增强了智能体训练后期的稳态性能，还提高了路径跟踪精度。关键词：无人艇；深度强化学习；智能控制；轨迹跟踪；参数整定中图分类号: U664.82；TP242.6文献标志码: ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03122

舰船混沌运动的改进自适应Backstepping控制

第４２卷第４期

２０２０年８月指挥控制与仿真

ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＶｏｌ􀆰４２　Ｎｏ􀆰４

Ａｕｇ􀆰２０２０

文章编号：１６７３⁃３８１９（２０２０）０４⁃０１２８⁃０５

舰船混沌运动的改进自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制∗

黄　谦，周红进，金　鑫，韩云东

（海军大连舰艇学院，辽宁大连　１１６０１８）

摘　要：针对舰船混沌运动控制中模型参数无法确知导致的控制结果不确定问题，将自适应控制方法与

Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法相结合，在设计控制器时，引入参数估计误差补偿项，有效实现了系统参数的准确辨识，并得到了

一种改进自适应Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ控制方法。实验结果表明，该方法能够实现对系统关键参数未知的舰船混沌运动的稳

定有效控制，为舰船航向的高精度保持提供了一种有效途径。

关键词：舰船混沌运动；未知参数；自适应控制；Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ方法

中图分类号：Ｕ６７４􀆰７文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０２０．０４．０２５

ＣｈａｏｓＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｈｉｐＳｔｅｅｒｉｎｇＶｉａＩｍｐｒｏｖｅｄＡｄａｐｔｉｖｅＢａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌ

ＨＵＡＮＧＱｉａｎ，ＺＨＯＵＨｏｎｇ⁃ｊｉｎ，ＪＩＮＸｉｎ，ＨＡＮＹｕｎ⁃ｄｏｎｇ

（ＤａｌｉａｎＮａｖａｌＡｃａｄｅｍｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０１８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｕｎｃｅｒｔａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｒｅｓｕｌｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｈａｏｔｉｃｓｈｉｐｓｔｅｅｒｉｎｇ

ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＢａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ

ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｗｈｅｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｌｙｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，