状态空间控制理论与计算中的几个问题——分析结构力学的观点

应用近年来发展的分析结构力学理论及保持哈密顿体系结构特征的精细积分算法,可以精确高效地求解最优控制和H∞控制中的系统设计和仿真问题。文中介绍了分析结构力学的基本内容、线性定常系统最优控制和H∞控制问题的求解以及输出反馈控制问题的变分原理和分离性原理。在此基础上,进一步介绍了非线性系统、时变线性系统、时滞系统、输入饱和系统的最优控制及分散H∞控制等方面的理论与计算问题。本文主要内容取材于作者最近完成的《状态空间控制理论与计算》一书,文中所讨论的问题都可以在基于精细积分的控制系统设计程序库(PIM-CSD)基础上求解。     

壁挂式矩形截面水箱应力分析

矩形截面水箱的受力状态比圆形截面复杂,但其制造方便、成本低、且平稳性好。为了解决其应力计算问题,针对某一尺寸矩形截面容器,根据结构力学中超静定结构和弹性力学中矩形薄板小挠度弯曲理论,进行了应力分析计算,得出了侧板、底板最大应力值;在此基础上,采用ANSYS有限元理论进行了分析计算,并与前述分析结果进行了分析对比。结果表明:理论解析值与ANSYS数值解吻合较好,从而为工程设计提供了可参照方法。     

快速控制奇异最优调节器设计在导弹控制工程中的应用

本文从导弹控制工程的实际问题出发,运用奇异最优控制的基本概念,阐明快速控制奇异状态等价线性最优控制原理。 通过奇异最优调节器的设计,解决了导弹Bang-Bang Control(简称BBC)进入奇异区必须转换所带来的设计困难。快速控制与奇异最优控制相结合——双模控制体制,降低了系统灵敏度,极大地提高了系统鲁棒性,并具有优良工程特性,为导弹控制系统设计提供了一个新方法。 通过CSCAD仿真计算,获得了满意的工程控制效果。     

新型柔索式杆束结构压紧释放装置

针对空间机械臂、空间可展开天线等空间机构在收拢状态的杆束结构压紧与释放问题,提出一种基于柔性索捆绑压紧与热刀释放的新型压紧释放装置。建立了柔索式压紧释放装置锁紧状态的力学模型,分析了静态压紧和考虑惯性载荷情况下的绳索预紧力变化情况,得到了满足可靠压紧的绳索预紧力设计值。基于质量和刚度等效,设计了机械臂杆束结构力学等效件,并进行了正弦与随机振动力学试验。试验结果验证了所设计的柔索式杆束结构压紧释放装置的可行性,并可以推广到具有复杂包络的杆束结构压紧释放中。     

三维极小脱靶量与极小能量综合最优控制律研究与仿真

根据空间平台拦截器与目标的相对运动方程,基于线性系统最优控制理论提出了一种综合三维极小脱靶量与极小能量的最优控制律。给出了最优推力大小与方向控制,以及最优过渡时间和关机时刻确定的模型。仿真结果表明:该最优控制律控制精度高,易于工程实现。     

旋转状态柔性附件航天器振动及其变结构控制

基于Hamilton变分原理,采用Mindlin厚板理论,研究了旋转状态中心刚体—悬臂厚板振动及其变结构控制问题。采用Hamilton状态空间法,应用弹性波与振动模态理论,确定了Mindlin厚板中的振动模态。针对该模型系统设计了控制器,采用滑模变结构控制理论,实现了对系统实施渐近稳定控制的设计。采用的变结构控制能使系统达到所期望的振动状态,有效地抑制了平板振动。最后,给出了数值模拟结果,讨论了中心刚体—悬臂厚板位移的动力学控制规律。该方法和计算结果可望能在带有柔性附件航天器的动力学控制中得到应用。     

钱学森力保我国高校宇航专业

正"陈士橹院士长期从事飞行器飞行力学与控制的研究,在飞行力学、空气动力学、自动控制与结构弹性的交叉学科研究中建立并完善了一些新的理论和方法,解决了相应的工程技术问题,并已在航空航天一些科研院所得到应用。以下内容是根据陈士橹院士访谈资料整理编辑而成。"1956年10月,国防部第五研究院成立,钱学森担任院长。为了加强理论研究和技术力量,钱学森在全国高校挑选了数位知名教授到五院担任咨询专家,其     

天线伺服系统大角度调转控制策略研究

首先对天线伺服系统模型及组成结构进行简要分析,在此基础上建立基于误差-速度的状态空间数学模型。然后利用双积分型最优控制的相关结论,给出基于电流控制的最优控制律,用于天线伺服系统角度调转,并在此基础上结合位置环输出对电流的影响,实现了基于位置环输出的bang-bang控制。为避免bang-bang控制在控制末端出现角度震颤,采用bang-bang控制和PID控制相结合的双律控制策略,并给出双律切换条件的设计方法。最后在实际系统中进行测试验证,结果表明上述方案简单有效。     

准最优控制理论在航天器轨道交会中的应用

将准最优控制理论用于轨道自主快速交会时线性二次型调节器的设计。根据轨道交会动力学和基于线性二次型最优控制律的轨道交会优化,提出了一种线性二次型准最优控制器的设计,并证明了系统的稳定性。理论分析和仿真结果表明,该控制律的交会精度较高、计算量小,可实现轨道交会控制的自主性和快速性。     

基于最优控制解析解的直接入轨自适应制导律

研究了直接入轨飞行器基于最优控制解析解的显式制导问题。在入轨速度最大指标约束下,推导出了一种直接入轨飞行器基于最优控制理论的显式解析制导律,并对该制导方法进行了仿真验证。仿真结果表明,所得制导方法具有较高的制导精度和较强的自适应性和鲁棒性,同时该制导方法计算简单、计算实时性强,具有较好的工程应用价值。     

《航天器动力学工程》前言

根据航天工程的进展及其控制技术的进步,航天器动力学的发展可以概括为早期简单航天器动力学、现代复杂航天器动力学和未来大型空间结构动力学与控制。航天器动力学是力学学科用于航天器工程的专业学科,它既属于航天动力学学科,又属于多学科交叉的飞行器设计学科。其任务是研究航天器从设计、研制、试验、发射到在轨飞行和返回全过程的各类动力学问题的分析、仿真、优化与试验。对于现代复杂航天器,航天器动力学是一般力学、固体力学、流体力学、计算力学、实验力学与控制理论、计算技术、仿真技术及系统工程学等多个学科的交叉综合,不但理论难度大、运动方程非线性强、算法难度高,而且软件系统复杂、工程实用性强、工程化程度要求高。因此,本书定名为《航天器动力学工程》,意在从系统工程角度,重点     

轨道机动的时间-能量综合最优控制

围绕航天器快速精确轨道机动问题,探讨在持续小推力作用下,航天器轨道机动中时 间和能量综合最优控制的技术和方法。基于Pontryagin最小(大)值原理,针对目标轨道为平 面和空间椭圆的情况,推导了时间-能量综合最优控制的Hamilton正则方程组、终端条件 、横截条件和最优控制的表达式,应用数值方法求解正则微分方程组的两点边值问题,得到 了最优控制的数值解,包括最小时间、最小能量、最优轨道、最优控制时变曲线和最优反馈 控制曲线等,实现轨道机动最优控制的精确数值模拟。从数值结果的对比分析中得出了一些 有意义的结论,可供工程实际参考。
     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

复合材料格栅结构屈曲特性分析

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构.基于Mindlin一阶剪切变形理论下的层合板和层合梁单元,模拟格栅结构的蒙皮和肋骨,通过空间坐标变换和利用蒙皮和肋骨的几何连续条件,获得了复合材料格栅结构的单元切线刚度阵,并给出了复合材料格栅结构的屈曲有限元数值模拟方法.通过对设计状态的复合材料格栅结构的计算分析,并与实际轴压试验结果比对,,证明该计算方法可行,能够满足结构屈曲特性分析的要求.     

基于加速度测量的柔性智能桁架结构

本文在只能获得加速度时,通过改变Leunberger观测器的结构形式,基于模态滤波器技术、最优控制理论和计算机控制系统理论,采用独立模态空间控制策略进行了具有密集模态的空间柔性智能桁架结构的实时计算机振动主动控制实验研究.实验结果表明这种控制策略是行之有效的.     

基于观测器的线性离散信息融合预见控制算法

线性离散信息融合预见控制算法本质上是一种状态反馈最优控制算法,针对实际工程中部分状态不易直接测量的问题,研究了基于状态观测器的线性离散信息融合预见控制算法,并证明了在该算法中运用观测器设计状态反馈仍然具有分离特性,控制律和观测器的设计互不影响。通过将观测器的所有极点配置到原点,可以让观测状态的初始估计误差快速收敛。基于吊车系统的仿真研究表明了运用观测器设计信息融合预见控制系统的有效性。     

卫星编队飞行的无速度测量非线性鲁棒控制

本文基于带有界干扰的线性动力学模型，研究了卫星编队飞行中的相对位置控制问题。首先，在线性二次型最优控制的基础上，设计了一种非线性控制律，并使用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。接着，通过对线性系统状态观测器进行改进，得到了一种非线性速度观测器，观测误差被证明是渐近收敛的。观测器与控制律的结合实现了无速度测量的控制，闭环系统被证明是渐近稳定的。文末的数值仿真验证了理论分析。     

智能结构中致动器数目与位置的优化

采用最优控制理论研究智能结构振动控制机电一体化的建模过程;通过定义输入能量相关矩阵优化了致动器的数目;基于致动器的控制效能,给出了一种简单实用的致动器位置配置方法;最后针对智能悬臂粱和大型空间智能桁架结构的振动控制仿真,表明数目与位置的优化方法是行之有效的。     

一种新型闭路制导方法

为提高大干扰条件下传统摄动制导的精度,提出了一种不同于基于需要速度的新型弹道导弹闭路制导方法。利用最优控制,根据能量消耗最少准则建立一种迭代解法,控制导弹最终状态在零控曲面上某一点关机,之后以惯性飞行即能命中目标。给出了零控曲面的求解模型,以及最优控制迭代解法的步骤、导航计算和关机条件。     

基于加速度测量的柔性智能桁架结构振动主动控制实验研究

本文在只能获得加速度时，通过改变Leunberger观测器的结构形式，基于模态滤波器技术、最优控制理论和计算机控制系统理论，采用独立模态空间控制策略进行了具有密集模态的空间柔性智能桁架的实时计算机振动主动控制实验研究。实验结果表明这种控制策略是行之有效的。