严格反馈下垂直起降飞机的全局轨迹跟踪控制策略

本文主要探讨了垂直起降飞机（VTOL）在复杂动态环境中实现全局轨迹跟踪控制的问题。垂直起降飞机是一种特殊的飞行器，拥有三个自由度（六个运动方向）但只有两个独立的控制输入，这使得它属于欠驱动系统，控制难度较大。文章的核心目标是设计一种有效的控制策略，确保飞机能够精确地跟随预设的运动路径。 首先，作者通过巧妙地运用控制输入和坐标变换，将飞机的动力学模型转化为严格反馈的形式，这一步骤有助于简化分析并便于后续控制策略的构建。严格反馈意味着控制信号直接影响系统的状态，而不是间接影响，从而提高了控制的有效性。 接着，作者引入了后推法的思想，这是一种基于系统动力学逆向推导控制策略的方法。这种方法允许设计者从系统的最终稳定状态出发，逐步向前推导出实现这个状态所需的控制规则，确保系统能够渐近收敛到给定的参考轨迹。这种方法对于解决欠驱动系统中的复杂轨迹跟踪问题尤其有用。 为了进一步简化控制器设计，文中采用了分解系统为低阶子系统以及引入中间虚拟控制变量的技术。通过这种方式，可以将复杂的控制问题分割成更易于管理的部分，同时利用部分Lyapunov函数来评估系统的稳定性。Lyapunov函数是一种用于证明动态系统稳定的数学工具，通过其递减性质，可以保证系统的稳定性在控制作用下逐渐增强。 最后，通过仿真验证了所设计的控制器的有效性。仿真结果表明，即使在存在任意输入耦合作用的情况下，垂直起降飞机也能有效地跟踪预设的轨迹，显示出良好的动态性能和鲁棒性。 这篇论文提供了一种创新的控制策略，不仅解决了垂直起降飞机的轨迹跟踪问题，而且展示了如何通过合理的理论框架和技术手段优化控制系统的复杂性。这对于实际应用中的飞行器控制设计具有重要的理论价值和实践指导意义。