基于神经网络模型的伺服系统控制与补偿方法研究

本文从两个角度提出使用神经网络模型提高伺服系统的控制精度。首先，分析了扰动力矩对精密伺服系统的影响。提出使用神经网络方法建立扰动力矩的数学模型，并根据全补偿原则设计补偿环节，实现扰动力矩的动态补偿。进而考察一类非线性伺服系统对象，研究使用神经网络模型实现对象逆动态模型的在线辩识和控制，在实验室条件下进行了神经网络伺服系统补偿控制的实验研究。试验结果表明这种新的补偿方法对提高伺服系统的精度十分有效，具有实际应用价值。     

基于自抗扰控制的导弹电液舵机系统研究

针对导弹电液舵机伺服系统中的高非线性、模型参数时变性等复杂因素,首先建立了 舵系统的数学模型,将负载变化和不确定性扰动视为一个综合总扰动项,然后利用扩张状态 观测器（ESO）对其进行观测和补偿,并基于自抗扰控制（ADRC）技术设计了一个不依赖于 数学模型的控制器。采用该方法设计的控制器不仅能满足系统对快速性和稳态精度的要求, 而且有效抑制了负载变化和不确定性扰动对系统的影响。仿真结果表明系统有较强的鲁棒性 和适应性,验证了该控制方案的可行性和有效性。
     

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明，提出的扰动力矩抑制方法是可行的，具有很强的鲁棒性。     

智能控制在航天推力矢量伺服系统中的应用及展望

运载火箭控制技术的快速发展对推力矢量伺服系统提出了面对复杂非线性负载的自适应力位综合控制,智能故障诊断管理等新要求。结合近年来智能控制理论的进展,分析了几种可用于推力矢量控制的新型控制方法。在伺服系统中应用一些先进的智能控制理论,有望在负载辨识和模拟、自适应主动柔顺控制、故障诊断及余度管理等方面取得比传统控制方法更好的应用效果。     

SGCMG框架伺服系统扰动力矩的分析与抑制

在借鉴国内外相关研究的基础上， 对单框架控制力矩陀螺（ Ｓ Ｇ Ｃ Ｍ Ｇ） 的框架及其伺服驱动机构的摩擦特性和框架伺服电机的力矩脉动规律进行了详细分析， 并在采用磁通补偿和提高电流控制性能的基础上， 设计了扰动力矩观测器来进一步抑制 Ｓ Ｇ Ｃ Ｍ Ｇ 框架伺服系统的扰动力矩， 大大改善了框架伺服系统的控制性能。仿真结果表明， 提出的扰动力矩抑制方法是可行的。     

大挠性航天器的模糊模型预测控制

针对带有大型挠性附件的航天器姿态控制系统，将自适应模糊控制和模型预测控制相结合，设计了大挠性航天器的模糊模型预测姿态控制策略。基于大挠性航天器的动力学模型，采用泰勒展开设计出了非线性模型预测控制律，避免了预测控制在线优化过程中繁琐的计算，有效降低了计算复杂度。针对大挠性附件振动导致的不确定性扰动对姿态控制的影响，使用自适应模糊控制来逼近不确定扰动。基于Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性，并推导了模糊参数的自适应律。仿真结果表明所设计的控制策略对大挠性附件振动有很好的抑制作用，可以控制姿态角对期望值实现快速跟踪，具有较好的控制特性。     

基于最优控制/自抗扰控制的直/气复合控制系统设计研究

为提升控制系统的性能,对直/气复合控制导弹的控制系统设计进行了研究。以俯仰通道为例,用最优控制理论设计了基于状态反馈的导弹俯仰通道控制回路,用线性二次型调节器(LQR)获得控制律。给出了加权矩阵的选取方法:依次调整表征过载偏差、角加速度和角速度的权重,使求出的反馈增益系数满足要求。针对状态反馈控制律无法快速抑制直接力开启带来的干扰问题,用自抗扰控制(ADRC)理论改进了控制器,通过构建状态观测器在线实时估计外界干扰并予以补偿,快速抑制扰动。仿真结果表明:用最优控制/自抗扰控制设计的控制器跟踪速度快,动态过程平稳并具有较强的干扰抑制能力,提高了系统的鲁棒性。     

基于多数字处理器的平板天线伺服控制系统设计

平板自跟踪天线系统以其体积小、功耗低、运输使用方便等优点而具有广阔的应用前景。设计一种具备自动跟踪功能的高集成化平板天线伺服控制系统,伺服控制器以DSP+FPGA架构为控制核心,通过集成Rabbit Core网络模块实现伺服控制系统与监控计算机的通信,最后将伺服控制器和伺服驱动器设计安装在自跟踪天线座内部,实现伺服系统的集成化。伺服系统的设计与实现有助于测控设备的小型化和多目标测控任务的执行,具有一定的工程实用价值。     

抽头电感滤波器辅助PWM DC-DC功率变换器实现软开关功能

推荐了一种使用新型高频变压器连接的全桥软开关移相脉宽调制（PWM）控制的DC-DC功率变换器。可以把此种功率变换器用作小型光伏电池与燃料电池发电系统的功率调节器以及汽车交流电源的隔离式升压DC-DC功率变换器。在低压大电流电源中，全桥电路是最具吸引力的拓扑，因为可以使用低压高性能金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET），并且能实现DC-DC功率变换器的高效率。为了能在大负载波动范围内实现软开关运行，新近在全桥移相PWMdc-dc变换器的输出级采用了包含续流二极管的抽头电感滤波器。在本文推荐的电路中，无需使用附加谐振电路和辅助功率变换器件就能有效降低循环电流。采用设置为1kW 100kHz的实验模板（使用功率MOSFET）对本文推荐的软开关dc-dc功率变换器的实际效率进行了实验室级别的试验。大工作比和负载变化范围内得到的实际效率为94～97％。     

星载双行波管放大器的高效率Buck电路设计

行波管放大器具有可靠性高、输出功率大、宽频带、寿命长、线性度高等诸多优点，在星载大功率部件中扮演着重要角色。为了实现星载行波管放大器的轻量化和高效率，文章设计了一种星载大功率双行波管放大器用电源。通过优化设计Buck电路辅助开关管的工作时序，推导出了时序电路的优化设计公式，选用高饱和磁通密度的磁芯来合理设计辅助电感量，使双行波管放大器电源在整个宽负载范围下均实现了Buck电路的软开关工作，给出了满载下Buck电路的软开关实验波形。实验结果表明该设计可以显著提高双行波管电源中Buck电路的效率，整个负载范围内的效率均高于95%，最高效率达到了97.5%，降低了放大器的电源功耗，提高了双行波管放大器的整机效率和可靠性，降低了载荷的重量。     

嵌入式计算机在雷达伺服系统中的应用

针对雷达数字伺服系统对控制计算机的要求，分析了嵌入式计算机系统PC／104的特点和基本应用方法，提出了以嵌入式计算机系统PC／104为核心数字控制部件的精密跟踪雷达伺服系统硬件设计要点，专用控制软件的设计思想及实现，仿真和飞行试验表明，该精密跟踪雷达数控伺服系统的设计是成功的。     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

火箭大偏航入轨双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制

为实现参数不确定和扰动下运载火箭大偏航入轨过程高精度姿态稳定控制,提出了一种双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法。首先基于运载火箭飞行动力学方程构建了面向控制的姿态模型;然后分析模型中存在的复合扰动,构建双回路扰动观测补偿滑模控制框架;通过引入有限时间收敛微分器、观测器和滑模控制器,实现了运载火箭姿态控制回路对姿态指令的高精度快速响应。该方法能够有效观测并补偿同时存在的匹配和非匹配扰动项,提高运载火箭姿态控制系统对参数不确定的适应性。通过对比传统PID控制方法,充分验证了双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法的良好性能。     

数字伺服系统的实现和调试

“数字伺服系统的实现和调试”是“数字伺服系统的设计和仿真”(见参考文献[1])的续篇。文中以某遥测跟踪设备用的数字伺服系统为基础,阐明了具有复合控制通道的数字校正式伺服系统的实现和调试问题;说明了齿隙、机械谐振频率、磨擦力矩、增益变化和复合控制对系统动态性能的影响;对调试中出现的实际问题进行了分析研究。     

采用MSCMG群的卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验验证

针对新型惯性执行机构磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically suspended control moment gyro, MSCMG),基于金字塔构型开展卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验研究,以验证MSCMG的姿态控制性能。首先基于MSCMG搭建卫星平台控制地面试验系统,建立数学模型;接着针对气浮台外界扰动抑制及大角度敏捷机动控制问题,基于变参数滑模控制设计姿态控制算法,采用鲁棒伪逆方法进行MSCMG群框架角速度分配;并针对MSCMG的特性对框架角速度和角加速度进行了限幅,开展闭环控制试验研究。试验结果表明,采用MSCMG进行气浮台姿态稳定控制实验,可以实现姿态稳定度优于5×10~(-4)(°)/s,且在实现30°/15 s的机动指标时,MSCMG框架角速度具有良好的跟踪性能,且磁悬浮转子在输出大力矩时仍然保持稳定悬浮,具有较强的鲁棒性。通过地面闭环试验验证了MSCMG作为姿控执行机构的优异性能,为其未来进一步应用研究奠定基础。     

机电伺服系统重复学习控制器设计

设计了一种p+A-Type ILC位置环重复学习控制器,并成功应用于某一需求高速高精度实时控制的机电伺服系统中,伺服控制技术采用经典的基于转子磁场定向的矢量控制技术,速度环控制器和电流环控制器采用经典的PI控制器,位置环采用p+A-Type ILC控制器,其中p控制器用于随机干扰的抑制,AType ILC用于伺服作动器重复往返运动以及固有的偏心质量等时变非线性负载的负载惯量和有规律干扰的补偿,并进行了与经典P位置控制器的对比试验验证。实验结果表明:采用本项目的控制器使得位置超调比采用P控制系统降低了50%,实现了高速高精度的实时控制,满足了伺服系统时变非线性负载下的不同工况需求,系统鲁棒性大大提高。     

考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法

以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小、推力器负载均衡等为设计目标,构建航天器推力分配混合优化模型,并将其转化为线性规划模型进行求解,提出了一种考虑负载均衡的航天器推力器动态分配算法。该算法在确保分配误差最小前提下,能够降低各推力器的最大分配推力之差,有效均衡各推力器总工作时长和开关次数,进而延长推进系统的整体工作寿命。进一步定义了表征负载均衡性能的推力平衡度和干扰敏感度性能指标,并在此基础上给出了一种分配算法负载均能能力的定量化评价方法。在仿真验证中,采用平衡度和敏感度对算法性能进行定量评估,结果表明该方法在保证控制性能和控制分配误差的前提下,能够有效均衡各推力器最大推力,提高了系统的平衡度和对扰动力矩的鲁棒性。     

基于模型参考自适应的大气层外杀伤拦截器姿态控制系统设计

大气层杀伤拦截器制导控制系统采用矢量喷管进行姿态与惯导控制,系统输出的开关特性具有强非线性,同时,姿态角指令进行突变时会相应地带来控制力矩指令突变,要求能够实现对姿态角指令的快速调节,且考虑姿控发动机喷气量。针对上述问题,设计了一种姿态角跟踪控制器,使用带有超前校正的死区迟滞继电控制律进行开关控制,并使用变结构模型参考自适应方法进行连续控制律设计,以提高开关控制器的工作效率,减少工作能耗。仿真结果表明,所设计的方法相较对比方法在快速性和精确性上均有提升,蒙特卡洛仿真结果显示,设计方法拦截精度为0.44 m,较对比拦截方法有较大提升。综上,设计方法能够以更快速的响应、更小的超调实现指令姿态角度的跟踪,且姿控发动机喷气用量有效减少,对工程实践有一定指导作用。     

车载卫星天线用交流伺服系统设计

为实现在运动车辆上收看卫星电视，设计了车载卫星天线用交流伺服系统。给出了方案的基本原理，并采用矢量控制对交流电机进行变频调速，以及位置、速度和电流反馈的三闭环调节器。确定了电流环、速度环和位置环的参数。仿真结果表明，所设计的交流伺服系统有良好的动态和抗干扰性能。