基于LuGre摩擦模型的转台伺服系统自适应摩擦补偿研究

为消除非线性摩擦对测试转台性能的影响,选用LuGre摩擦模型描述转台系统所受的非线性摩擦。根据转台直流电机系统数学描述,提出了非线性摩擦补偿方法。设计了双观测器结构估计LuGre模型中的不可测状态;考虑LuGre模型中3个参数的非一致性变化,设计了自适应摩擦补偿控制算法,在线估计摩擦模型中的参数,并对非线性摩擦进行补偿。用李雅普诺夫方法证明了采用自适应摩擦补偿方法的闭环系统的稳定性。仿真结果表明:正弦波输入时,摩擦补偿后的位置跟踪误差(峰-峰值)较无摩擦补偿减小了1个量级,位置跟踪性能有较大改善,辨识出的摩擦模型参数能稳定收敛于真实值附近;三角波输入时,自适应控制的位置跟踪精度更高。     

某空间伸杆机构的摩擦补偿及反步自适应控制

面向某新型大伸展(收拢比)、高载荷(自重比)伸缩式空间伸杆机构的实际应用需求,研究其低速伸展过程中摩擦力矩补偿及其反步自适应控制方法。考虑伸杆伸长量等各种因素引起的摩擦力矩变化,将其等效描述为摩擦变化系数的影响,由此得到LuGre改进模型的摩擦表征。在此基础上,设计基于摩擦力矩补偿的反步自适应控制器,以补偿和抑制模型不确定性和摩擦影响。最后通过仿真校验表明,该方法不依赖精确的动力学模型,能够在保证鲁棒性的前提下有效提高系统控制性能。     

航天用系列行波型超声波电机的研制

简述了超声波电机在航天领域的应用情况，并介绍了所研制的系列行波型超声波电机（直径分别为80mm、60mm、45mm和30mm）的结构形式、摩擦材料、粘结工艺、温度特性、机械特性和瞬态特性，提出了神经元自适应PID算法实现高精度的速度和位置控制。结果表明其具有良好的特性，适用于空间机器人、登月车、太阳能帆板、CCD等空间机构的驱动，并结合航天领域的应用要求，提出了下一步的研究重点。     

UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题，搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型，分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型，采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题，利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开，通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪，提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中，仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开；绳索始终处于张紧状态，最大拉力为62.5N；薄膜展开过程复杂，重复出现张紧、回弹的现象，最终趋于稳定。     

空间机器人柔性关节轨迹控制研究

针对由谐波减速器驱动的空间机器人柔性关节的精确轨迹跟踪问题,提出了一种由自 适应模糊系统和逐步逆向设计相结合的递阶控制方法,不仅有效地消除了模型不确定性的 影 响,而且避免了复杂的求导运算和角加速度可测的要求;推导了自适应模糊系统模糊规则参 数调整的自适应律,证明了闭环系统的稳定性和跟踪误差的渐进收敛;在柔性关节测试平台 上进行了轨迹跟踪实验,试验结果表明该方法具有较高的轨迹控制精度和鲁棒性。     

基于自适应神经网络的柔性关节空间机器人振动抑制控制

针对存在负载变化、建模误差和摩擦干扰的柔性关节空间机器人控制问题,提出了基于奇异摄动的神经网络自适应鲁棒控制方法。首先,通过拉格朗日方程和动量矩守恒定理建立柔性关节漂浮基空间机器人动力学模型;其次,通过奇异摄动理论将动力学模型近似分解表征为刚性的慢变子系统和柔性的快变子系统,针对于慢变子系统,设计基于神经网络补偿的自适应鲁棒控制器;针对于快变子系统,设计柔性补偿器和力矩微分反馈抑制器;最后,基于李雅普诺夫理论证明了控制系统的稳定性。仿真表明:所提出的控制策略是有效的,且在柔性补偿器失效的情况下,采用独立的神经网络自适应鲁棒控制器能够抑制弹性振动,并精确跟踪期望轨迹。     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

MSCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩建模与实验研究

在磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)中,由于陀螺耦合力矩的影响,使得陀螺框架系统的摩擦力矩随着陀螺输出力矩和框架角位置的不同而发生变化,为了实现控制力矩陀螺输出力矩的高精度控制,需要对摩擦力矩进行精确建模。对控制力矩陀螺框架系统进行了动力学研究,分析了摩擦力矩随陀螺输出力矩和框架角位置的变化机理和变化规律,并据此建立了磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的非线性摩擦力矩模型和非线性动力学模型。用实验数据对非线性动力学模型参数进行了最优最小二乘辨识,并用所得到的模型进行实际数据分析和仿真研究,仿真结果与实际实验数据非常吻合,验证了所建立模型的正确性和有效性。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

空间站柔性太阳电池翼对日跟踪控制

空间站柔性太阳电池翼高稳定对日跟踪驱动控制,对于保障空间站长期在轨能源安全和平稳运行具有重要意义。在推导柔性太阳电池翼动力学模型、柔性体模态分析和截断、Alpha对日定向装置机电系统模型、非线性传动系统模型的基础上,对空间站柔性太阳电池翼对日跟踪控制系统进行设计。采用Heaviside五次样条变速规划、位置和速度两级闭环、速度环陷阱滤波器柔性振动抑制的组合方案,实现空间站柔性太阳电池翼高稳定驱动控制。通过对典型工况的仿真校核,验证所设计的控制方案可实现跟踪精度优于0.3°、速度偏差±0.005(°)/s、稳定度优于7%@0.065(°)/s的性能指标。同时,Alpha对日定向装置的启动和变速过程中驱动力矩不大于30 N·m,稳速运行期间驱动力矩不大于5 N·m。各项性能指标要好于国际空间站Alpha对日定向装置,满足使用要求。     

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

利用压电自敏感致动器的挠性结构振动主动控制实验研究

以粘贴有压电自敏感致动器的挠性梁振动主动控制为例，论述了进行挠性结构传感器／致动器及控制一体化研究的方法，文中给出了压电自敏感致动器的电路模型及自敏感感器 变测量和应变速度测量电路，推导了测量公式，以玻璃钢材料的挠性梁为实验对象，并采用自适应滤波技术来实现振动主动控制，控制系统由ＴＭＳ３２０Ｃ２５及４８６计算机组成的主从机系统来实现，实验结果表明此种控制方法是有效的。     

无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

舵机加载系统的鲁棒力矩渐近跟踪控制

针对舵机加载系统中存在未建模部分、时变、非线性等因素,设计了鲁棒力矩渐近跟踪控制器。分析了系统结构,并建立系统简化模型。为了抑制舵机运动扰动对加载系统的影响,提高系统跟踪性能,将舵机运动作为外干扰进行处理。根据系统输入信号的特点,基于内模原理,分别利用系统的传递函数和状态空间模型设计鲁棒渐近跟踪与干扰抑制控制器。针对期望极点难以选取的问题,利用最优化方法设计系统控制律,并引入期望衰减度调节系统力矩跟踪和扰动抑制性能。仿真结果表明,所设计的控制器能使系统获得较理想的跟踪性能,基于状态空间的最优化方法方便了系统设计。     

基于综合观测器的执行器过程故障量精确诊断

执行器的非线性与输出不可得在一般复杂动力学系统中具有典型性,而其过程故障量的精确诊断是个前沿难点问题.针对该问题,研究一种面向控制系统和执行器的综合观测器方法.提出一种适用于带有非线性执行器复杂系统的新型自适应观测器方法,可克服输出量不可直接获得的条件限制,实现故障诊断并获得执行器真实输出估计;基于执行器输出估计与控制器输出量,采用扩张状态观测器实现过程故障量精确估计,从而为主动容错故障调节提供诊断依据.以卫星姿态控制系统飞轮摩擦力矩增大这一典型非线性执行器故障的过程故障量精确诊断为应用实例验证了本文方案的有效性及优越性.     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

基于增广观测器的非线性系统执行器故障诊断

针对一类满足李普希茨条件的非线性系统,提出了一种新的执行器故障诊断方法。将执行器故障作为增广状态向量的一部分构造一个增广系统,然后利用线性矩阵不等式方法设计一个增广状态观测器,能够同时获得原系统的状态和执行器故障的渐近估计。利用李亚普诺夫理论分析了增广状态观测器的稳定性和收敛性。最后,将所提出的方法用于卫星姿态控制系统执行器的故障诊断,仿真结果验证了该方法的有效性。     

五自由度气浮仿真试验台的动力学建模

五自由度气浮仿真试验台是在地面模拟微小卫星空间运动的一种重要仿真设备。通过分 析试验台的系统结构,定义世界系、轨道系及本体系三个坐标系,建立了其所模拟微小卫星 空间运动的一般情况下轨道动力学和姿态动力学模型,最后根据试验台目前执行机构为冷气 推进装置的实际工作情况导出了试验台状态方程,为下一步试验台模拟微小卫星的自治飞行 提供了理论基础。