基于变量集结预测控制的四旋翼无人机控制器设计

针对四旋翼无人机路径跟踪问题，设计了一种基于变量集结预测控制的控制器。首先以四旋翼无人机状态空间模型为基础建立预测模型；接着设计控制器时采用分段集结的策略把控制量集结成三段优化序列以减少优化计算量，并降低优化保守性，为了进一步加强系统稳定性，控制器引入终端代价函数和终端约束；最后用四旋翼无人机的动力学模型作为被控对象进行仿真验证，结果表明：该控制器能使四旋翼无人机在三轴方向均能实现一个良好的路径跟踪效果。与传统方法相比，这种基于变量集结的预测控制策略能够减小在线优化量，更适合四旋翼无人机飞控芯片的应用。     

Analytical and semi-analytical investigations of geosynchronous space debris with high area-to-mass ratios

This paper provides a Hamiltonian formulation of the averaged equations of motion with respect to short periods (1 day) of a space debris subjected to direct solar radiation pressure and orbiting near the geostationary ring. This theory is based on a semi-analytical theory of order 1 regarding the averaging process, formulated using canonical and non-singular elements for eccentricity and inclination. The analysis is based on an expansion in powers of the eccentricity and of the inclination, truncated at an arbitrary high order.     

横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计

非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力a_T与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角i_c附近, 推力a_T与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.      

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

Semi-analytical theory of mean orbital motion for geosynchronous space debris under gravitational influence

This paper provides a hamiltonian formulation of the equations of motion of an artificial satellite or space debris orbiting the geostationary ring. This theory of order 1 has been formulated using canonical and non-singular elements for eccentricity and inclination. The analysis is based on an expansion in powers of the eccentricity and of the inclination. The theory accounts for the influence of the Earth gravity field expanded in spherical harmonics, paying a particular attention to the resonance occurring for geosynchronous objects. The luni-solar perturbations are also taken into account. We present the resonant motion and its main characteristics: equilibria, stability, fundamental frequencies and width of the resonant area by comparison with a basic analytical model. Finally, we show some results concerning the long term dynamics of a typical space debris under the influence of the gravitational field of the Earth and the luni-solar interactions.     

GEO卫星基于电推进系统的倾角与偏心率联合控制方法

针对配置电推力器的GEO卫星位置保持问题,提出一种对倾角与偏心率进行联合控制的方法,建立了求解控制方程的优化模型,并针对优化模型变量多、约束复杂的问题进行降维处理,得到两种简化的求解方法,降低了求解复杂度与计算量,适合星上自主计算。采用联合控制方法,仅靠电推力器就能够同时实现卫星倾角和偏心率的高精度控制,有效降低卫星位置保持总的推进剂消耗。仿真算例表明,与电推力器只控倾角的传统方法相比,在保证偏心率控制精度不变的前提下,采用电推力器倾角与偏心率联合控制方法,15年寿命期内节省推进剂质量39kg。     

基于PNN与FNN模型神经网络控制器设计与分析

模糊神经网络和预测神经网络分别是基于经验和学习的新型神经网络控制系统,通过在卧式电液仿真转台中框控制器上分别采用这2种控制方法来研究它们的控制特性和应用范围.其中,模糊神经网络结合了模糊控制的经验和神经网络的学习能力,但控制精度取决于人为经验;所研究的预测神经网络采用了基于非线性自回归滑动平均模型建立预测模型,实现在线学习和在线控制,但初始阶段控制精度不高.仿真研究证明,根据具体的控制对象采用适当的控制方法或是将2种方法合理地结合起来将会达到较高的控制精度.      

大面质比空间碎片在太阳光压和引力作用下的轨道演化

分析了较高轨道(a > 10000km)大面质比空间碎片的轨道动力学演化问题. 重点讨论了位于地球同步轨道的空间碎片轨道演化问题, 并给出轨道偏心率 随时间演化的表达式. 通过进一步分析得出, 倾角大于63°26'的GTO轨 道空间碎片, 仅在J₂和第三体摄动影响下, 会出现轨道偏心率升高; 而对 于大面质比空间碎片, 在J₂项和太阳光压同时作用下, 当近地点指向的角 变率与太阳平黄经变化率接近时, 会出现长期共振现象, 导致轨道偏心率升 高, 近地点降低. 分析还得出, 轨道演化过程中, 偏心率的最大值与初始轨 道近地点的指向有关.      

Optimal H∞ robust output feedback control for satellite formation in arbitrary elliptical reference orbits

A two degree-of-freedom signal-based optimal H_∞ robust output feedback controller is designed for satellite formation in an arbitrary elliptical reference orbit. Based on high-fidelity linearized dynamics of relative motion, uncertainties introduced by non-zero eccentricity and gravitational J2 perturbation are separated to construct a robust control model. Furthermore, a distributed robust control model is derived by modifying the perturbed robust control model of each satellite with the eigenvalues of the Laplacian matrix of the communication graph, which represent uncertainty in the communication topology. A signal-based optimal H_∞ robust controller is then designed primarily. Considering that the uncertainties involved in the distributed robust control model have a completely diagonal structure, the corresponding analyses are made through structured singular value theory to reduce the conservativeness. Based on simulation results, further designs including increasing the degrees of freedom of the controller, modifying the performance and control weighted functions, adding a post high-pass filter according to the dynamic characteristics, and reducing the control model are made to improve the control performance. Nonlinear simulations demonstrate that the resultant optimal H_∞ robust output feedback controller satisfies the robust performance requirements under uncertainties caused by non-zero eccentricity, J2 perturbation, and varying communication topology, and that 5 m accuracy in terms of stable desired formation configuration can be achieved by the presented optimal H_∞ robust controller. In addition to considering the widely discussed uncertainties caused by the orbit of each satellite in a formation, the optimal H_∞ robust output feedback control model presented in the current work considers the uncertainties caused by varying communication topology in the satellite formation that works in a cooperative way. Other new improvements include adopting a new method to more accurately describe and analyze the effects of the higher-order J2 perturbation, combining all the uncertainties into a diagonal structure, and utilizing a structured singular value to synthesize and analyze the controller.     

Tube-based robust output feedback model predictive control for autonomous rendezvous and docking with a tumbling target

In this paper, a tube-based robust output feedback model predictive control method (TRMPC) is proposed for controlling chaser spacecraft docking with a tumbling target in near-circular orbit. The controller contains a simple, stable, Luenberger state estimator and a tube-based robust model predictive controller. Several practical challenges are also considered under dock-enabling conditions, such as the control saturation, velocity constraint, approach corridor constraint, and collision avoidance constraint. Meanwhile, uncertainties are carefully analyzed when designing the controller, including dynamics uncertainty, measurement error, and control deviation. The TRMPC ensures that all possible state trajectories with uncertainties lie in the minimum robust positively invariant set (mRPI, i.e., the so-called tube in this paper). The tube center is the solution of a nominal (without uncertainties) system. Another important contribution of this paper is to propose a technique where it is unnecessary to calculate the mRPI explicitly. Thereby, the ‘curse of dimensionality’ can be avoided for a six-dimensional system. To verify the feasibility of the proposed TRMPC strategy in the presence of uncertainties, two scenarios of autonomous rendezvous and docking (AR&D) are simulated. The simulation results show that the TRMPC method is more efficient in minimizing the uncertainties, fuel consumption, and computational cost, compared to the classic model predictive control (MPC) method.     

一种基于2DOFH∞控制器的航天器姿态控制方法

研究某航天器俯仰轴姿态的二自由度鲁棒控制问题．首先分析俯仰轴系统中存在的主要不确定性,建立系统的结构与非结构不确定模型;然后将二自由度鲁棒控制方法应用于俯仰轴系统中设计H∞控制器,由于得到的H∞控制器阶次过高,对其进行降阶处理;最后进行仿真验证．结果表明该控制器对干扰力矩和参数不确定性的影响具有良好的鲁棒稳定性．     

基于 Brouwer 平根数的冻结轨道

基于Ｂｒｏｕｗｅｒ平根数的概念研究了冻结轨道,发现了这样一个事实：如果用Ｂｒｏｕｗｅｒ平根数来表示冻结轨道,则该平根数对应的轨道恰是一条精确的圆轨道。在此基础上还对冻结轨道的性状作了新的解释。此外还针对只包含二阶和三阶带谐调和项的地球引力场内的冻结轨道偏心率在临界倾角附近的性状作了分析,显示出临界倾角附近轨道的异常性状在这个低阶的引力场内仍未改变。     

基于双环滑模控制的直/气复合控制系统设计

直/气复合控制导弹具有强干扰、强非线性以及强耦合等特点，传统的姿态控制器难以适用于该种复杂干扰并存的情况，文章提出了基于双环滑模控制的直/气复合控制器。首先采用有限时间收敛趋近律分别构造内外环滑模控制器，并将角速度回路的滑模变量量化为直接力指令，以解决空气舵与姿控发动机之间的耦合问题。接着使用非线性扩张状态观测器估计综合干扰，从而设计控制器补偿侧向喷流干扰及模型不确定性等综合干扰的影响。然后基于李雅普诺夫方法证明了控制系统闭环稳定，分析了干扰补偿对控制器收敛域的影响。最后仿真结果表明，该方法跟踪速度快，动态过程平稳，具有较强的干扰抑制能力，具有很强的鲁棒性。     

基于灰度预测的无刷直流电机控制

针对传统PID控制器抗干扰能力差，参数调节繁琐等问题，提出了灰度预测控制器。对灰度预测算法进行了详细的理论分析和数学建模，利用最速梯度法对控制器参数进行调整，设计了参数自适应调整的控制器；对飞轮使用的无刷直流电机进行了较为准确的模型建立，并在此基础上设计了基于灰度预测控制器的电机控制仿真模型。通过仿真分析了两种控制器在正常加速和受到干扰两种情况下的不同表现，验证了灰度预测控制器在调节效果和稳定性等方面的优越性。     

卫星轨迹跟踪控制的参数化方法

 在卫星轨迹控制系统的状态空间模型的基础上,通过分析卫星的轨道动力学方程,给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述;基于线性系统的特征结构配置和模型参考理论提出一种卫星轨迹跟踪控制的参数化方法,设计系统的反馈镇定控制器和前馈跟踪控制器。分别进行卫星悬停和绕飞两种指令下的仿真。仿真结果表明,提出的控制方案是行之有效的。     

多导弹协同攻击编队非线性最优控制器设计

针对多导弹协同攻击编队控制问题,采用仿射非线性系统最优控制理论设计了基于领弹-从弹法的多导弹编队控制器.首先采用基于微分几何理论的非线性系统精确线性化方法,将导弹非线性运动模型线性化;然后根据从弹、领弹间的相对运动关系,给出了包含领弹运动信息和队形信息的从弹期望轨迹,建立了基于从弹跟踪误差向量的系统状态方程;最后采用基于稳态解的黎卡提矩阵微分方程求解方法解决最优控制问题,设计了从弹的三维非线性编队控制器;仿真结果表明所设计的控制器能够在领弹机动地情况下快速、稳定地实现编队队形的形成和保持.      

航天GPS接收机信号搜索捕获策略

航天GPS接收机的无辅助冷启动时间是一项重要指标,研究近地轨道应用的12通道C/A码导航型接收机减小冷启动时间的方法.分析GPS信号的多普勒频率和伪码相位搜索方法、捕获检测器及其参数选择、多普勒频率搜索步长和伪码搜索速率, 得到多普勒频率搜索步长为500?Hz,伪码搜索速率为475码元/s.研究轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率等因素对多普勒频率搜索范围的影响.阐述根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法.分析和仿真结果表明,根据GPS卫星间夹角的统计信息选择合理的卫星分配方法,可将冷启动时间减少25%~30%,影响多普勒频率搜索范围的因素按程度依次为:轨道倾角、轨道高度、GPS天线仰角和轨道偏心率,再考虑这些因素时可将冷启动时间减少25%~40%.     

基于神经网络的自由漂浮空间机械臂 自适应鲁棒控制

针对自由漂浮空间机械臂动力学模型难以精确获得,且无法表达为关于未知参数的线性形式问题,提出基于自适应神经网络的鲁棒控制方法.对于不确定性空间机械臂系统模型中存在的未知不确定部分,利用神经网络的万能逼近特性,设计神经网络控制器来补偿未知模型,避免传统控制中的保守上界估计;采用泰勒线性化技术将神经网络隐含层中的高斯函数线性化,设计包括网络权值、高斯中心及宽度在内的网络全参数自适应学习律,实现在线实时调整,提高控制精度;设计鲁棒自适应控制器来抑制外界扰动,并补偿逼近误差,提高系统鲁棒性;基于Lyapunov理论证明闭环系统的一致最终有界（UUB）.仿真试验表明所提控制方法能够获得较好控制效果,对空间机械臂控制具有一定工程应用价值.     

网联混合动力汽车能量优化控制

能量管理策略是混合动力汽车的核心技术之一,决定了车辆的燃油经济性和排放性能。针对现有混合动力汽车的能量管理都是基于固定工况开发而没有考虑实际道路工况的问题,基于智能交通系统（ITS）和专用短程通信技术（DSRC）获取的道路交通信息和周边车辆信息,提出了一种网联混合动力汽车分层能量控制方法。其中,上层控制器利用道路交通信息和模型预测控制算法预测车辆的最优目标速度并计算出需求转矩;下层控制器利用上层控制器获得的目标车速信息,实现最优车速跟随,并使用模糊神经网络控制算法优化发动机和电动机之间的转矩分配以降低燃油消耗。仿真结果表明:与传统的能量管理策略相比,所提方法可以有效避免车辆在红灯时停车,车辆的燃油消耗率降低了34.88%,HC、CO和NO_x的排放分别降低10.59%、66.19%和1.05%,提升了混合动力汽车的燃油经济性和排放性能。      

太阳同步冻结轨道星座保持与捕获

太阳同步冻结轨道卫星在经过同一星下点时光照特性和轨道高度相同，便于载荷观测及定标.由多颗太阳同步冻结轨道卫星组成的星座，需要实现星座成员轨道倾角、轨道高度、偏心率矢量和相对轨道幅角的同时保持.提出了基于切向单脉冲的最低燃耗轨道面内保持策略，证明了该策略的稳定性和燃料最优性， 给出了太阳同步轨道地方时保持简单算法.仿真证明，基于本策略的星座成员能跟踪并捕获目标轨道.面内保持策略还可用于低轨卫星编队低燃耗控制.