基于自适应LMS算法的空间光束快速精扫描跟踪控制方法

针对空间精密光学领域与国防应用对高精度快速光束控制的需求，给出自适应最小均方（LMS）算法对压电快摆镜进行光束扫描跟踪控制。首先描述了自适应LMS控制算法及快摆镜模型辨识方法，随后仿真分析了不同频率及迭代步长对自适应LMS算法跟踪控制的影响，最后采用自适应LMS算法进行了压电快摆镜辨识及扫描跟踪控制实验。实验结果表明，自适应LMS算法对2Hz、10Hz及其复合谐波信号扫描的跟踪误差分别为2.5%(3σ)、1.9%(3σ)和2.4%(3σ)，控制效果均优于PI控制算法。这种自适应LMS算法能有效跟踪多频扫描信号，为高精度空间光束快速扫描跟踪提供了一种可靠的技术手段。     

Digital simulation model piezoelectric cantilever design and analysis of beam smart elements

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

基于尾流的超空泡航行体变结构制导律设计

针对超空泡航行体机动能力差、探测手段有限等特点,提出了一种基于目标舰船尾流梯度信息的变结构制导律.通过激光探测机动目标的尾流信息,动态解算尾流梯度方向;采用滑模变结构理论设计制导律,实现对尾流梯度方向的精确跟踪,最终完成对目标舰船的精确打击.该方法利用目标尾流信息,避免对目标运动状态进行复杂估计计算,不仅降低了对机动能力的要求,同时大大减小能量消耗,提高了有效航程.仿真结果表明,系统响应迅速,可以实现快速精确的目标跟踪打击,且具有很强的鲁棒性和抗干扰性.     

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.      

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描,所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式,并在基本形式基础上加入摆镜,只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的,大大减小二维回转机构载荷,提高扫描速度,简化了系统结构,减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外,还有了新的限制条件,对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析,提出了设计条件及设计方法,并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。     

一种非线性鲁棒PID控制器设计方法

针对一类非线性不确定系统,提出了一种基于PID(比例-积分-微分)控制的鲁棒控制方法.整个控制器由PID控制器和一个鲁棒补偿器构成.首先,基于系统的标称模型设计PID控制器;然后在PID控制的基础上,设计一个辅助鲁棒补偿器,用于补偿系统非线性、参数摄动和外界扰动等对系统控制性能的影响.补偿器的设计基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论进行,从而保证了闭环系统的鲁棒稳定.采用该方法对倒立摆跟踪问题进行了仿真控制,仿真结果验证了设计方案的有效性.     

控制力矩陀螺框架高精度周期随动控制

为实现控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度周期随动控制,采用比例积分微分(PID,Proportion Integration Differentiation)控制器结合重复控制器的控制方式,PID控制器实现框架伺服系统静态和匀速运动的高精度控制,插入式重复控制器实现对周期性输入信号的精确跟踪.对控制力矩陀螺框架系统进行了建模,设计了PID控制器与插入式重复控制器,并分析了重复控制器的稳定性条件、稳态跟踪性能和对扰动的抑制能力.仿真结果和实验结果表明:采用插入式重复控制器使控制力矩陀螺跟踪1Hz给定速度信号时的稳态跟踪误差大幅减少.PID控制器结合插入式重复控制器结构简单,两者可分开独立设计,参数设计容易.     

基于二阶滑模的导弹控制系统设计

过载控制是近年来导弹控制律设计领域出现的一种新的非线性控制方法,引起越来越多的重视,但是在采用过载控制方法对侧滑转弯(STT, Skid-To-Turn)超音速巡航导弹纵向回路控制系统设计过程中,由于过载输出与舵偏输入之间存在非最小相位现象,导致系统零动态不稳定.提出用输出重定义将系统状态进行转换的思路,利用内部状态在平衡态时应具有的响应作为其期望参考轨迹,将输出跟踪转化为状态跟踪,以保证系统的零动态稳定.采用二阶滑模设计控制律,消除了一阶滑模所固有的颤振现象,用Lyapunov函数确定出控制器参数,保证了对系统输出的跟踪.鉴于攻角不易精确测量而导致了系统状态不完全可测,控制律设计过程中设计了攻角观测器解决了上述问题.系统仿真研究表明,根据上述方法设计的系统具有比较理想的稳定性和鲁棒性,同时具有更好的动态性能.     

基于自适应高阶滑模的直气复合控制律设计

对直接力/气动力复合控制导弹控制律设计问题做出了研究.建立了俯仰平面内姿态控制系统的数学模型，应用非线性理论分析模型，基于分析简化模型，建立了用于控制律设计的简化模型.利用自适应高阶滑模进行了虚拟控制量设计，考虑气动舵舵偏以及舵偏角速度的约束以及脉冲发动机的特点，建立二次规划最优化问题.利用有效集法实时分配虚拟控制量，获得气动舵以及脉冲发动机控制量.进行数字仿真验证控制律有效性，所设计控制律适应气动舵以及脉冲发动机特点，能对过载指令进行快速跟踪.     

卫星编队飞行有限时间控制方法

针对卫星编队飞行相对位置控制问题,提出了一种有限时间控制方法.首先,建立了编队卫星相对运动的非线性动力学方程.其次,设计了有限时间快速收敛的滑模面,提出了一种有限时间控制方法,该方法能保证闭环控制系统的全局稳定性和快速收敛性,并给出了理论证明.最后,将提出的方法应用于卫星编队飞行维持控制.仿真结果表明该方法在收敛时间和控制精度方面均优于传统线性滑模控制和终端滑模控制.     

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求，研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题，给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先，基于近圆轨道Clohessy Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息；然后，基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数，并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态，获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角；最后，通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制，实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明，该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制，为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。     

卫星光轴复合指向控制方法研究

卫星平台搭载光学载荷对空间运动目标进行跟踪指向技术已经成为卫星发展的重点，为了提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性，仅依靠卫星的姿态调整已无法提升卫星光轴的性能。通过对由卫星姿态、星载光电转台和快反镜组成的卫星复合光轴指向系统的分析，需三者协同工作，输出有效叠加，才能有效提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性。对卫星姿态控制系统、星载光电转台控制系统、快反镜控制系统进行研究建模后，确定了三者的作动频带。通过建立辅助PQ单位反馈系统，运用频率响应法设计复合指向控制器，模拟某轨道的卫星与跟踪目标的相对运动轨迹作为仿真模型的输入。仿真数据表明卫星光轴的跟踪指向误差由0.6°下降到了0.05°，证明了复合指向控制律有效提升了卫星光轴的性能。     

考虑框架伺服特性时SGCMG系统操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中,通常假定框架伺服系统具有理想的伺服跟踪性能.然而,框架伺服系统有限的带宽和实际存在的各种扰动力矩都会使其跟踪性能下降.为抑制SGCMG框架伺服特性对操纵性能的影响,设计了一种新型操纵律.该操纵律综合考虑了SGCMG系统运动学和动力学特性,可以根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令,直接计算出每个SGCMG框架驱动系统所需的控制力矩.由于操纵律没有算法奇异,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下,可使操纵误差指数收敛至零.同时,操纵律形式简单,易于实现.应用在航天器上的某4-SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.      

附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

Space-based line-of-sight tracking control of GEO target using nonsingular terminal sliding mode

This paper addresses the issue of high-precision line-of-sight (LOS) tracking of geosynchronous earth orbit target in highly dynamic conditions via spacecraft attitude maneuver. First, characteristics of the LOS motion are analyzed by a simplified linear relative motion model. Second, after transforming the quaternion-based attitude model into a double integrator system, a new nonsingular terminal sliding mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in a nominal case without parametric uncertainties and external disturbances. Third, an adaptive new nonsingular terminal mode controller is proposed for spacecraft attitude tracking in an uncertain case, which is done via constructing a pair of adaptive laws to estimate the parametric uncertainties and external disturbances online. The robust stability and finite time convergence property of the closed-loop system are demonstrated by Lyapunov theorem. Under control of the proposed controller, zero steady state error tracking of LOS with a smooth transition phase can be achieved in scheduled time, regardless of parametric uncertainties and external disturbances online. Finally, detailed numerical simulation results are presented to illustrate the effectiveness and performance of the proposed controllers. Contrasting simulation results shows that proposed controllers can track the desired trajectories effectively and have better performance against the controllers based on linear sliding mode and the existing fast nonsingular terminal sliding mode.     

Finite-time relative orbit-attitude tracking control for multi-spacecraft with collision avoidance and changing network topologies

This paper addresses the relative position tracking and attitude synchronization control problem for spacecraft formation flying (SFF). Based on the derived relative coupled six-degree-of-freedom dynamics, a robust adaptive finite-time fast terminal sliding mode controller is proposed to achieve the desired formation in the presence of model uncertainties and external disturbances. It is shown that the designed controller is effective for changing information exchange topology making it robust to node failure. Then, the artificial potential function method is employed to generate collision avoidance schemes to modify the controller such that inter-agent collision avoidance can be ensured during the formation maneuver, which is critical for practical missions. The stability of the overall closed-loop system is proved by using Lyapunov theory. Finally, numerical examples for a given SFF scenario are presented to illustrate the performance of the controller.     

基于无源性的航天器姿态跟踪控制设计

考虑到机器人和航天器都是非线性力学系统,利用在机器人控制研究中发展起来的基于力学系统无源性的控制设计方法,在统一的理论框架内,根据航天器模型不确定性的不同情况,设计了多种姿态跟踪自适应和变结构控制律,并证明了闭环系统跟踪误差的收敛性。     

Trajectory tracking control for underactuated stratospheric airship

Stratospheric airship is a new kind of aerospace system which has attracted worldwide developing interests for its broad application prospects. Based on the trajectory linearization control (TLC) theory, a novel trajectory tracking control method for an underactuated stratospheric airship is presented in this paper. Firstly, the TLC theory is described sketchily, and the dynamic model of the stratospheric airship is introduced with kinematics and dynamics equations. Then, the trajectory tracking control strategy is deduced in detail. The designed control system possesses a cascaded structure which consists of desired attitude calculation, position control loop and attitude control loop. Two sub-loops are designed for the position and attitude control loops, respectively, including the kinematics control loop and dynamics control loop. Stability analysis shows that the controlled closed-loop system is exponentially stable. Finally, simulation results for the stratospheric airship to track typical trajectories are illustrated to verify effectiveness of the proposed approach.