基于特征模型的火箭发动机伺服控制系统设计

以新型大推力火箭发动机为研究对象,提出了基于特征模型的伺服系统控制器设计方法。首先,介绍了特征建模理论并讨论了特征模型参数范围;其次,采用人工蜂群算法实时估计火箭发动机伺服系统特征模型参数,使其满足特征模型输出与实际系统输出特性等价条件;最后,使用黄金分割自适应控制律保证系统在参数估计过程中的闭环稳定性,同时引入前馈跟踪控制律,逻辑积分控制律和逻辑微分控制律使伺服控制系统快速、精确跟踪线位移指令并改善动态性能。仿真结果表明,设计的火箭发动机伺服控制系统指令跟踪精度高,动态特性良好,鲁棒性强。     

基于特征模型的全系数自适应控制系统稳定性研究

讨论了基于特征模型的黄金分割加逻辑微分自适应控制律组成闭环系统的稳定性问题。针对参数未知、线性定常或慢时变的二阶不稳定对象,本文给出了在采样周期满足一定条件下,上述闭环系统渐近稳定的充分条件,其中包含对于时变参数变化范围和非线性阻尼系数的约束条件。     

最小方差关连控制设计

本文讨论了最小方差关连控制设计问题,在随机干扰作用下系统需设计为最小方差,以抑制干扰和跟踪输入信号,本文将最小方差应用于关连设计,将各子系统之间的关连看成是可变的,且将各子系统的关连看成是回路反馈,以最小方差进行反馈设计,这里出现的新问题是反馈通过了多个控制器闭合,需同时使各子系统皆运行在最小方差状况下。文中以具有二子系统和二控制器的关连反馈为例、得到了最小方差关连控制的实观条件。文中给出了例题以示该方法的应用。这一方法对强关连系统提出了新的设计思想:一种将关连考虑在内的综合设计思想。     

图像信息反馈的目标航天器跟踪控制方法

定义目标航天器图像形心与像平面中心为跟踪误差,并将该像平面误差直接引入跟踪控制闭环,提出一种增益切换的目标航天器跟踪PD控制律,在由推力器开关控制特性定义开关函数的基础上,给出PD控制器增益切换策略。由于直接使用目标航天器在像平面中的视觉特征误差量,避免了视觉相机内参数标定和目标航天器位姿信息求解等过程,简化了服务航天器的系统配置,同时控制器增益切换实现对测量误差、推力器偏差、转动惯量偏差以及干扰力矩等多种不确定性因素进行补偿,提高了跟踪控制系统稳定性及抗干扰性能。最后,基于Lyapunov稳定性理论给出控制器参数估算方法,并理论分析了增益切换PD控制律的收敛性,数学仿真表明该控制律能够对复杂机动目标以及考虑多种不确定性因素等情况进行快速跟踪,校验了视觉跟踪控制策略的有效性及对多类型不确定性的鲁棒性。     

大空域变轨巡航飞行器变结构控制律研究

针对超声速大空域变轨巡航飞行器在变轨过程中出现的系统矩阵摄动问题,给出了具有较强鲁棒性的变结构控制律。通过合理选取滑模面,使得设计的变结构控制律对由于飞行空域变化造成的系统矩阵的摄动具有不变性,从而保证了控制律的鲁棒性。通过对系统相平面的分析及李亚普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性。利用饱和函数来近似符号函数,对变结构控制律的抖振现象进行消除。最后给出了数学仿真校验,结果表明所设计的变结构控制律具有较强的鲁棒性。
     

基于特征模型的高超声速飞行器的自适应姿态控制

研究了基于特征模型的自适应控制方法在高超声速飞行器姿态控制中的应用。对一类非线性强耦合以及大范围参数不确定性的类X-20高超声速飞行器无动力滑翔段六自由度动力学模型,建立含耦合的多输入多输出(MIMO)特征模型,并设计基于特征模型的黄金分割控制器。控制律设计中通过对非对角元控制量强制一步滞后,使得各通道控制量可以计算简单。最后通过飞行高度和速度大范围变化的长时间飞行过程中姿态角的跟踪控制仿真,验证了控制器的鲁棒性和适应性。     

吸气式高超声速飞行器特征模型自适应控制

针对吸气式高超声速飞行器纵向刚体动力学的跟踪控制问题,给出了基于特征模型的自适应控制方案。通过选取攻角作为额外的输出,给出了这类系统的特征建模方法,其中,系统被分为速度子系统和高度子系统。针对速度子系统,建立了一阶特征模型;针对高度子系统,建立了二阶多输入多输出特征模型。基于所得到的特征模型,本文设计了全系数自适应控制律,不仅实现了速度跟踪和高度跟踪,也实现了攻角跟踪。数值仿真验证了该方法的有效性。     

最小方差维纳滤波控制(MVW)及在自动导引控制中的应用

本文讨论了维纳滤波和最小方差予报相结合的控制方法,是针对单独的最小方差控制或维纳滤波控制都遇到困难的情况。文中推导了MVW控制律及推广到有控制约束和多干扰情况的MVW。并以自动导引控制系统为例讨论了应用问题,导出对指数变参数系统分析设计的新方法。     

基于特征模型的力矩受限卫星姿态抗饱和设计

针对存在控制力矩饱和约束的卫星姿态跟踪控制问题,提出将黄金分割控制器和基于线性矩阵不等式(LMI)抗饱和设计相结合的控制方法。采用黄金分割控制器作为标称控制器,同时使用特征模型取代原被控对象求解抗饱和补偿器,给出求解抗饱和补偿器凸约束的LMI条件,解决了由于控制输入饱和引起的控制性能下降或系统不稳定问题。通过引入二阶差分方程形式的特征模型,常规基于线性LMI抗饱和设计方法可以扩展到解决一类非线性系统的饱和控制问题中。数值仿真验证了所提出方法对控制力矩受限卫星姿态跟踪控制的有效性和鲁棒性。     

火星进入段自适应预测校正制导方法

针对火星进入段预测制导收敛性和可解性问题,给出基于一阶特征模型的全系数自适应预测校正制导律。该方法首先通过时变动态增益变换技术大幅度降低预测误差与制导修正量之间的时变动态增益;然后对变换后的系统建立修正量与广义航程误差间的一阶特征模型,应用全系数自适应方法估计一阶特征模型系数并求取制导修正量;再由标称制导剖面和制导修正量确定纵向制导输出,横向制导采用传统的漏斗边界制导方法。本文方法每个制导周期仅执行一次预测制导,依靠自适应控制的逐次逼近实现制导的收敛性,避免了基于迭代的传统预测校正制导方法的收敛性问题。针对预测校正制导收敛性这一国际上的难题,本文首次证明了全系数自适应预测校正制导律的收敛性。最后针对火星进入点多种初始误差的组合,以及火星大气密度和探测器气动参数的偏差,进行了多条轨迹的仿真。结果表明,全系数自适应预测校正制导具有较高的精度,在计算时间上也要优于基于迭代的预测校正制导方案,更加适合在工程上的应用。