针对四旋翼无人机吊挂飞行系统存在模型偏差及外界干扰带来的位置跟踪和减摆控制难的问题, 提出了一种基于补偿函数观测器的非线性控制方法。首先, 建立了四旋翼无人机吊挂飞行系统动力学模型, 并设计了补偿函数观测器对未建模动态和未知扰动进行观测; 然后, 针对系统参考输入跟踪误差约束, 构建了障碍Lyapunov函数来设计反步控制器, 并在控制器中引入补偿函数观测器的估计值对系统总扰动进行补偿, 保证了无人机位置误差和负载摆角在约束范围内变化, 使系统能够达到预期控制效果。Lyapunov稳定性分析证明了闭环系统的稳定性、位置误差的收敛和摆动的抑制。仿真结果表明, 设计的控制器在对无人机位置精确控制的同时, 能有效抑制吊挂负载的摆动。

针对多无人机受模型偏差和外部扰动导致的编队构型不稳定问题, 提出一种模型补偿控制的思想, 在此基础上设计基于补偿函数观测器(CFO)的模型补偿反步控制器并应用于编队协同控制, 把编队协同控制问题转化为传统控制问题, 实现多无人机在复杂外部扰动下的编队集合、飞行和队形切换。所提出的控制器不仅保留了基于Lyapunov准则的全局指数渐近稳定性, 还采用CFO来准确估计模型偏差和干扰并补偿到控制器中, 有效增强了编队系统整体的抗扰能力。最后通过仿真和实验验证了算法的有效性。

针对光电跟踪转台的高精度跟踪问题, 设计了一种反步滑模控制系统和算法,该算法在反步控制的基础上引入滑模控制, 提高了控制器的鲁棒性。通过仿真分析可知, 该算法相较于反步控制算法和PID控制算法性能得到了提升, 其中, 阶跃跟踪响应速度提高21%以上, 正弦跟踪稳态精度和随机干扰下的稳态精度均提高两个数量级, 脉冲干扰稳定时间减少0.7 s以上,很好地保证了光电跟踪转台的跟踪精度。

针对四旋翼无人机视觉伺服过程中易受到干扰的问题, 利用积分反步滑模控制方法设计基于图像的四旋翼无人机视觉伺服抗干扰的非线性控制器。选择图像矩作为特征, 利用虚拟相机平面改进存在模型不确定和外部干扰的动力学模型。针对难以直接测量的虚拟平面的线速度, 通过反步法设计线速度估计器, 提高了控制的准确性。通过Lyapunov理论证明了所提出的全局积分反步滑模控制器的稳定性。仿真实验结果证明了设计的控制器的有效性和鲁棒性。

针对带有扰动及不确定性的四旋翼无人机的稳定性问题, 提出了一种基于滑模控制方法的拓展状态观测器。首先,根据机体坐标系和地面坐标系的转化, 利用反步控制方法构造无人机的动力学模型;然后, 设计拓展状态观测器, 用来恢复系统的状态以及对系统所有扰动及不确定性进行估计; 可以实现误差快速收敛以及足够高的估计精度; 同时, 设计了滑模控制器, 结合李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法, 提出了观测器的稳定性条件; 最后, 通过数值仿真对其有效性进行了验证。

为解决大机动目标拦截过程中加速度信息难以预测的问题, 利用自适应RBF神经网络和反步滑模控制技术提出一种新型三维智能制导律。首先, 基于零化视线角速率的思想, 建立了拦截机动目标的三维制导模型, 并结合反步滑模算法设计了有限时间制导律;然后, 将目标加速度信息视为控制系统的不确定性, 采用RBF神经网络对其进行在线估计和补偿, 同时设计自适应切换增益以抑制控制系统抖振;最终, 基于Lyapunov直接法证明了整个闭环控制系统的稳定性, 并通过对比仿真验证了所提三维制导律的有效性和优越性。

仅配备有纵向推进力和转船力矩装置的无人水面艇是典型的欠驱动系统，不能通过定常光滑反馈控制律镇定到平衡状态。本文针对一类惯性矩阵和阻尼矩阵非对角的欠驱动无人水面艇，设计了基于附加控制器和反步法的光滑时变跟踪控制律，在保证跟踪误差暂态性能的前提下，实现了曲线和直线情形下的轨迹跟踪。首先，通过状态变换将非对角模型转化为对角形式，并运用反馈线性化理论简化控制输入。其次，通过设计虚拟控制函数来镇定误差运动学方程，并通过引入障碍Lyapunov 函数(BLF)来保证跟踪误差满足规定的性能。然后，通过在误差镇定函数中引入虚拟控制量解决了系统的欠驱动问题，稳定性分析表明本文控制策略能够保证闭环系统中的所有状态是一致最终有界的。最后，Matlab/Simulink 仿真结果表明了该控制器的有效性。

针对系统负载和外部力矩干扰的复合干扰影响下的移动机器人路径跟踪控制精度降低的问题,提出一种基于干扰观测器的移动机器人路径跟踪串级控制策略。在运动学跟踪层面,基于反步法思想,在角度误差中引入位置误差,设计全局收敛的速度控制律; 在动力学跟踪层面,设计非线性滑模力矩控制器对规划速度进行跟随,同时采用超螺旋干扰观测器对复合干扰进行观测,并将干扰观测值引入力矩控制器,减小复合干扰对跟踪精度的影响。仿真结果表明,提出的方法具有良好的路径跟踪性能和抗干扰能力。

针对旋转火箭弹非线性动力学系统中存在大量的非线性、多变量耦合及参数不确定等特点, 提出一种改进非线性干扰观测器,对高频运动的干扰逼近特性进行观测, 结合反演滑模控制, 设计反演滑模控制器,并证明了系统的稳定性。最后通过仿真对传统观测器与改进观测器的性能进行比较, 仿真结果表明, 改进观测器具有较高的估计精度和较强的鲁棒性。

针对一类不确定非线性系统, 研究了一种结合反步法和自抗扰控制的新的自适应输出反馈控制方法。通过引入扩张状态观测器(ESO)对被控系统的未知状态进行实时估计, 同时利用扩张状态观测器实现对系统中的不确定项在线逼近及补偿。通过非线性滤波器对反步法设计过程中的虚拟控制信号进行求导, 避免了传统反步法设计控制中复杂性爆炸的问题, 并由此设计了自适应输出反馈控制器。通过李雅普诺夫函数证明了这种控制方法的稳定性, 验证了闭环系统中所有信号均是有界的。数值仿真算例进一步验证了该方法的有效性。