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。

研究了固定时间控制在非线性纯反馈系统中的应用。为了解决传统反步法无法处理纯反馈系统的问题, 引入了一种非传统的坐标变换。根据Lyapunov稳定性定理证明了所提出的控制算法可以确保系统在固定时间内跟踪到给定信号, 且收敛时间与系统的初始状态无关。最后, 通过两个仿真示例验证了所提算法的有效性。

针对可重复使用运载器(RLVs)再入过程中的不确定、舵面失效及饱和的容错控制问题, 提出了一种基于固定时间干扰观测器(FTDO)结合辅助抗饱和系统的反步控制策略。首先, 设计一种基于超螺旋理论的固定时间干扰观测器, 除保证对系统中干扰、不确定和舵面失效作用的准确估计外, 还能有效提高对变频干扰的估计精度。其次, 针对RLV再入时舵面易发生饱和故障的问题, 设计辅助补偿系统以使舵面尽快退出饱和状态。仿真结果表明, 该容错控制方法有效解决了舵面的部分失效及饱和问题, 对干扰和不确定有较强的抑制作用, 能够提高RLV再入段姿态控制系统的控制精度和鲁棒性能。

针对一类输出误差受限且输入具有饱和特性的非线性系统跟踪控制问题，提出了一种模糊反步自适应控制方法。采用Butterworth低通滤波器和模糊状态观测器对控制增益未知的非线性系统中的不可观测状态进行估计,采用约束Lyapunov函数对输出误差进行限定; 然后,利用具有光滑特性的双曲正切函数和Nussbaum增益函数对控制器的饱和特性进行处理; 最后,结合反步法与动态面法设计出鲁棒控制器，并运用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性进行分析，证明了闭环系统中的所有信号半全局一致稳定。以具有参数不确定性和外界未知干扰的高超声速飞行器的纵向运动为仿真模型，仿真结果表明,系统的输出误差被限定在约束的范围内，具有较强的鲁棒性能。

针对四旋翼无人机的姿态控制问题, 设计了一种基于块控反步法的姿态控制器。建立了四旋翼无人机完整的姿态运动模型, 包括姿态动力学模型和空气动力学模型, 并将其转化为多输入多输出非线性系统的状态空间方程。在介绍块控反步控制器的基础上, 给出了积分反步姿态控制器的设计过程。将滤波器引入控制器设计中, 解决了对虚拟控制律求导所产生的“计算膨胀”问题。对控制系统的Lyapunov稳定性分析表明, 所设计的控制系统是稳定且指数收敛的。仿真结果表明所设计的控制器具有良好的跟踪能力和较强的鲁棒性。