垂直起降(Vertical Take-off and Landing,VTOL)飛行器同時具有固定翼戰(zhàn)斗機和直升機的獨特優(yōu)勢,具有重要的軍事戰(zhàn)略意義和民用應用價值,自問世以來就受到世界各航空大國的高度關注,一直是航空航天領域的研究熱點。控制技術(shù)作為垂直起降飛行器的核心技術(shù),也是保證安全飛行和完成飛行任務的關鍵。然而,VTOL飛行器的機體復雜布局和復雜多變的飛行環(huán)境使得飛行器表現(xiàn)出非線性、強耦合、非最小相位等特性,為系統(tǒng)控制技術(shù)研究帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此,本文以VTOL飛行器跟蹤控制問題為研究課題展開了深入研究,主要工作如下:首先,針對VTOL飛行器系統(tǒng)輸入存在不確定性干擾時的軌跡跟蹤問題,提出將自適應浸入與不變(Adaptive Control via System Immersion and Manifold Invariance,簡稱自適應II控制)和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合的控制策略。為了克服干擾對系統(tǒng)的不良影響,采用自適應II干擾估計律對干擾進行實時估計,并且在控制器中進行補償,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤控制精度。通過設計干擾補償函數(shù),確保干擾估計誤差系統(tǒng)指數(shù)收斂。基于自適應II干擾估計律,設計了滑模跟蹤控制器。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論給出了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。仿真結(jié)果表明在輸入受擾情況下,所設計的控制器能夠保證系統(tǒng)輸出快速、穩(wěn)定地跟蹤給定參考軌跡。其次,對于輸入受到干擾的VTOL飛行器系統(tǒng)軌跡跟蹤控制中的干擾抑制問題,提出將最優(yōu)控制、非線性干擾觀測器和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合的控制策略。設計了非線性干擾觀測器,實現(xiàn)了對系統(tǒng)輸入干擾的實時準確估計;通過設計觀測器增益函數(shù),保證觀測誤差系統(tǒng)指數(shù)收斂�；诜蔷�性干擾觀測器,設計了魯棒跟蹤控制器,增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實現(xiàn)了對給定期望軌跡的有效跟蹤。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論給出了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。仿真結(jié)果驗證了所提出的控制方案具有良好的軌跡跟蹤性能和干擾抑制能力。再次,針對VTOL飛行器的定點降落問題,提出基于圖像的視覺伺服控制方法。該方法將基于圖像的控制方法引入到VTOL飛行器控制器設計中,采用雙目視覺模型,該模型無需獲取未知特征點的深度信息,模型維度低,易于計算。利用機載攝像頭獲取圖像信息,結(jié)合反步法設計了視覺伺服控制器,基于圖像信息引導VTOL飛行器定點降落在期望位置。由于所采用的視覺模型中不包含深度信息,從而避免了未知點深度信息的測量或估計,改善了系統(tǒng)的控制精度。利用李亞普諾夫理論證明了在所提出控制器作用下VTOL飛行器閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定,圖像誤差漸近收斂為零,實現(xiàn)了基于圖像的視覺伺服定點控制。最后,針對VTOL飛行器系統(tǒng)部分狀態(tài)難以實時、準確測量問題,提出了基于有限時間觀測器技術(shù)的輸出反饋控制方案。該方案設計了有限時間輸出反饋觀測器,對難以實時準確測量的狀態(tài)進行在線估計以重構(gòu)全狀態(tài)反饋控制系統(tǒng);基于所設計的有限時間觀測器,將狀態(tài)觀測值引入所設計的控制器中進行補償,基于有限時間控制方法設計了輸出反饋控制律,完成了系統(tǒng)的無速度傳感器控制,改善了系統(tǒng)的響應速度和可靠性。最后,給出的輸出反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和仿真結(jié)果驗證了該方案的有效性和合理性。綜上所述,本文針對VTOL飛行器跟蹤控制問題,進行了深入研究,為控制系統(tǒng)設計的關鍵技術(shù)突破做出了積極的理論探索。
【學位單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V249.1
【部分圖文】：

[11-12]。歷經(jīng)幾十年的艱難發(fā)展過程，迄今為止，世界上具有代表性的VTOL飛行器有三種：英國“鷂”式戰(zhàn)斗機、前蘇聯(lián)雅克-141戰(zhàn)斗機和美國F-35B聯(lián)合攻擊機(如圖1-1

雅克141戰(zhàn)斗機

- 2 -圖1-3 F-35B 聯(lián)合攻擊機Fig.1-3 F-35B joint strike fighter一領域的研究起步較晚，目前尚未開展大規(guī)模、系統(tǒng)化的研家垂直起降技術(shù)迅速崛起和國內(nèi)航母技術(shù)日益成熟的大背景行器的相關研究已經(jīng)是大勢所趨、刻不容緩。因此，目前術(shù)的相關研究具有重要的理論意義和工程參考價值。事領域具有無可替代的價值，從民用角度看，VTOL飛行器在務，例如地震救災、邊遠地區(qū)急救、緩解地面交通等方面都。隨著世界各國先進航空科學技術(shù)的發(fā)展，垂直起降技術(shù)的的未來。
【參考文獻】

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本文編號：2869451