基于观测器的高超声速飞行器模糊自适应控制

针对高超声速飞行器输出跟踪问题,提出了一种基于观测器的分层模糊自适应鲁棒控制器的设计方法。本文设计了一种基于分层模糊系统的间接自适应控制器,减少在线辨识参数的数量;同时设计非线性干扰观测器(NDO)对系统复合干扰进行估计补偿;最后引入鲁棒补偿控制项,克服传统非线性干扰观测器的限制条件,并利用Lyapunov理论证明了整个系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅能够保证高超声速飞行器具有良好跟踪性能,而且具有很强的鲁棒性。     

基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制

针对吸气式高超声速飞行器飞行控制问题，提出一种基于变增益观测器的双回路非线性输出反馈控制方案。首先，为解决部分状态信号不可直接测量的问题，设计了一种可变增益状态观测器。通过状态变换将飞行器模型变换为双回路形式，并设计自适应的观测器增益系数在保证其稳定性的同时提高鲁棒性。在此基础上，将高超声速飞行器本体模型与所设计的观测器一起构成新的严反馈系统，结合反步法与动态面设计控制器。另外，引入扩张状态观测器补偿系统观测误差及耦合项。利用Lyapunov理论证明了闭环系统的一致有界稳定。最后，在不同情况下的数值仿真校验了所提控制方案在存在较大参数不确定情况下可获得理想的指令跟踪效果。     

基于RO-NUIO/LMI的挠性卫星轨控期间姿控系统故障诊断

卫星轨控期间,由于推力偏心,会产生较大的干扰力矩,直接影响卫星姿态。针对轨道控制期间的挠性卫星姿态控制系统,设计了干扰解耦的降阶非线性未知输入观测器(RO-NUIO),用于故障检测与故障隔离。在设计过程中,首先通过坐标变换,使得不可观的状态及部分可观状态不受干扰影响,然后针对不可观的子系统利用可观状态的信息设计观测器,观测器中的部分参数利用LMI方法获得,可以弱化非线性部分对观测器的影响。所设计观测器的存在条件仅依赖于系统本身特性,无需在线验证。观测器采用降阶设计,同时借助LMI思想,结构简单,适合于非线性卫星姿态控制系统。仿真结果验证了降阶非线性未知输入观测器实现卫星姿态控制故障诊断的可行性与有效性。     

姿态控制系统干扰的补偿和测量方法

本文根据系统完全补偿条件,证明了弹体姿态运动俯仰和偏航通道不能对干扰完全补偿,而滚动通道则能完全补偿。文中叙述了俯仰通道非完全补偿的方法,并提出克服伺服系统动态特性对补偿影响的设想。讨论了用冲角表、角加速度计和观测器测量干扰的方法。还阐述了采用反馈实现干扰静态补偿的方法。     

基于智能PID和扩张状态观测器的姿态控制方法

针对在实际工程中人工设计飞行器姿态控制参数造成工作量大的问题,提出一种基于模型参考自适应控制的神经网络姿态控制方法。首先在模型参考自适应控制的基本框架下,利用BP神经网络的自学习特性,实现PID控制参数的自适应整定。随后设计了两阶线性扩张状态观测器以对控制量进行补偿,并对观测器进行了误差分析。仿真结果表明通过神经网络训练得到的控制参数变化规律和工程实际较为相似,姿态角指令跟踪误差在允许范围内,幅值裕度和相角裕度均符合要求。通过分别在常值干扰和正弦变化干扰下的两阶线性扩张状态观测器和三阶线性扩张状态观测器的仿真对比,发现两阶的观测器更能够降低外界扰动对系统的影响。     

基于鲁棒状态观测器的运载火箭姿态控制系统设计

考虑弹性振动和液体晃动,采用鲁棒观测器设计了运载火箭的姿态控制系统。将姿态角测量结果中弹性振动的影响视为外界干扰,利用状态观测器的低通滤波特性实现对高频弹性信号的衰减,同时状态观测器替代速率陀螺估计得到姿态角速度,以姿态角和角速度信号为输入,采用扭曲二阶滑模控制方法设计了姿态控制律,并从理论上对该控制律稳定液体晃动和弹性振动的原理进行了证明,对观测器变换矩阵的选择进行分析。数值仿真表明,在参数摄动和干扰的影响下,所提出的变结构控制律能够有效的跟踪控制指令,稳定系统姿态,具有较强的鲁棒性,同时鲁棒状态观测器能够准确的估计出角速度信息。     

低速巡飞弹非匹配干扰观测控制器设计

针对低速巡飞弹倾斜转弯控制系统的非线性、强耦合、不确定的特征,研究了一种基于干扰观测器的自适应反演控制方法。将参数摄动、外界干扰和执行机构的响应偏差分别等效进成系统的匹配干扰和非匹配干扰,并设计在有限时间内估计误差收敛的非线性干扰观测器进行估计。利用反演控制的思想,在虚拟控制量中抵消非匹配干扰,在实际控制量中抵消匹配干扰。利用李雅普诺夫理论设计自适应调节律补偿干扰观测器的估计误差,改进控制系统的瞬态性能。仿真结果表明,干扰观测器估计误差在有限时间内收敛到一定区间,系统能够有效地克服干扰的影响,快速准确地跟踪滚转角、攻角、侧滑角参考指令。     

带大惯量运动部件卫星姿态高精度复合控制研究

对有大惯量运动部件的三轴稳定卫星在稳态运行期间高精度高稳定度控制方法进行了研究。提出了一种卫星姿态高精度动态补偿控制算法:先基于卫星姿态动力学模型与卫星有效载荷运动部件摆动规律,设计了姿态稳定反馈控制律和补偿摆动部件干扰力矩的前馈控制器,用前馈-反馈控制的复合控制算法,消除运动部件摆动对卫星姿态控制系统产生干扰力矩的负面影响;再用干扰观测器修正因通信延迟造成的补偿残余力矩,设计了扰动观测器对前馈补偿残余力矩进行辨识,进一步补偿修正残余力矩,以保证控制系统的性能指标。仿真结果表明:该法能有效补偿干扰力矩并提高控制精度,实现的卫星姿态控制精度优于0.005°。     

一种基于ESO的导弹鲁棒自动驾驶仪设计方法

针对大机动能力滚转角稳定的战术导弹反应快、通道间耦合性强等特点,提出了一种鲁棒自动驾驶仪设计方法.首先将滚转通道模型中的参数不确定性和外界扰动作为系统的复合干扰,然后利用扩张状态观测器估计系统的状态和复合干扰,并将其用于线性二次型调节器自动驾驶仪的设计中,最后给出了控制算法的稳定性证明.仿真结果表明,基于扩张状态观测器...     

磁悬浮力矩陀螺内外框架低速高精度控制技术研究

建立了双框架磁悬浮力矩陀螺(DGMSCMG)内外框架伺服系统耦合动力学模型,并针对未知扰动影响的非线性不确定系统,用基于扩张状态观测器(ESO)的扰动力矩估计器获取补偿力矩,在常规的比例积分微分(PID)控制器中通过前馈方式对内外框架进行前馈力矩补偿。仿真结果表明:干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,并提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

红外拦截弹输出反馈制导控制一体化设计

针对采用红外导引头的拦截弹，提出一种基于滑模观测器的制导控制一体化(IGC)控制方法，在导弹的部分状态已知和非匹配不确定性影响下，确保了其高精度拦截效果。首先，由于采用红外导引头的拦截弹的视线(LOS)角速率难以获取，系统将不满足干扰估计的匹配条件，设计了一种新型滑模观测器，通过构造补偿滑模观测器,同时实现导弹的未知状态和干扰的有限时间精确估计。然后，利用未知状态和干扰估计信息，设计反步控制器实现导弹的制导控制一体化，证明了系统的有界稳定。仿真结果表明，本文提出的方法可以获得较小的脱靶量，且对存在的不确定性具有较强的鲁棒性。     

基于干扰补偿的航天器直接自适应模糊控制

带有活动式有效载荷和挠性附件的大型航天器在动力学上具有非线性、大挠性、强耦合等特点,这给控制系统的设计带来了较大难度。其突出特点是要求控制系统在控制量受限的情况下克服各种未知复杂干扰力矩的影响。本文针对这类大型复杂航天器,提出了一种基于直接型自适应模糊逻辑和干扰补偿的控制方法。在控制律的设计中,将自适应模糊系统直接用作系统的主控制律,利用扩张状态观测器对模糊系统的逼近误差和内外干扰力矩进行观测并予以实时补偿。仿真结果表明了方法的有效性。     

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。     

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。     

面向非沿迹成像的姿态跟踪扩展观测器滑模控制

针对地面兴趣点不沿星下点轨迹的动态非沿轨迹成像问题,设计一种结合扩展状态观测器的非奇异快速终端滑模控制器。首先根据非沿轨迹成像模型的需求推导卫星姿态参考轨迹。其次,根据由误差四元数描述的跟踪误差运动模型设计了非奇异快速终端滑模控制律。考虑到干扰抑制,引入了扩展状态观测器来观测系统的总扰动,从而降低滑模控制律中的切换增益,削弱系统抖振。然后再用模糊自适应系统对切换项进行在线逼近,柔化控制信号,进一步减振。最后,对具有干扰和参数不确定的姿态控制系统进行了数值仿真,结果表明该方法收敛速度快,控制精度高。     

基于快速模糊干扰观测器的UASV再入Terminal滑模控制

针对无人空天飞行器再人大气层过程中气动参数变化剧烈、控制精度要求高的特点，设计了基于快速模糊干扰观测器的Terminal滑模控制方案。通过改进传统模糊干扰观测器的学习律，提出一种快速模糊干扰观测器，增强了其在线逼近干扰及系统不确定的能力。Terminal滑模的有限时间收敛特性提高了系统跟踪速度，同时采用快速模糊干扰观测器消除全部扰动的影响，从而保证了飞行品质。最后，仿真结果表明了快速模糊干扰观测器的优越性及闭环控制方案的有效性。     

带随机时延的网络控制系统鲁棒滑模观测器

针对一类具有未知外界干扰的网络控制系统,通过对误差动态系统进行线性变换,将网络时延对观测误差系统的影响转化为满足匹配条件的有界不确定项,根据滑模控制理论,在原闭环系统的反馈回路,提出一种鲁棒滑模观测器的设计方法。基于Lyapunov理论,证明观测误差系统对时延引起的不确定项和外部干扰均具有鲁棒性,并证明所设计的观测器可以保证误差系统渐进收敛到所构造的滑模面,且滑模面误差变量渐进收敛到平衡点。通过对控制律的改进,降低系统抖振。同时将观测器的参数设计问题转化为线性矩阵不等式问题,给出观测器系统参数矩阵的设计方法,并进一步给出优化的求解过程,从而避免过大的观测器输入。通过对一种柔性关节机器臂的网络化系统仿真,验证所提方法的有效性。     

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。     

导弹滑模抗干扰自动驾驶仪设计

针对拦截弹的抗干扰控制问题，设计了一种基于扩张状态观测器和快速滑模控制的三通道自动驾驶仪。首先建立考虑有界未知不确定性和外界干扰的拦截弹系统模型，构建扩张状态观测器对有界未知不确定性和外界干扰进行估计；在此基础上，根据自动驾驶仪系统特性，设计了一种快速滑模控制算法使得系统在受到有界未知不确定性和外界干扰的情况下仍然能精准快速跟踪指令信号，并基于李雅普诺夫函数证明了其稳定性。仿真结果验证了所设计控制算法的有效性。