Robust Reduced-Order Controller Design Based on LMI

基于线性矩阵不等式 (LMI)的H∞ 设计方法给出了所有全阶和降阶控制器的参数化结果 ,其中降阶控制器的求解需要满足一个秩条件 ,这个秩条件是非凸的 .为了避开非凸问题的求解 ,提出了一种新的设计降阶控制器的凸优化方法 ,从而得到了保证H∞ 性能指标的降阶控制器 .为了减少保守性 ,进而基于投影原理提出了一种设计更低阶次鲁棒控制器的新方法 .该方法为系统的H∞ 性能与控制器期望阶次的折中设计提供了一条可行途径     

基于LMI的降阶鲁棒控制器设计

基于线性矩阵不等式(LMI)的 H_∞设计方法给出了所有全阶和降阶控制器的参数化结果,其中降阶控制器的求解需要满足一个秩条件,这个秩条件是非凸的.为了避开非凸问题的求解,提出了一种新的设计降阶控制器的凸优化方法,从而得到了保证H_∞性能指标的降阶控制器.为了减少保守性,进而基于投影原理提出了一种设计更低阶次鲁棒控制器的新方法.该方法为系统的H_∞性能与控制器期望阶次的折中设计提供了一条可行途径.     

时延估计柔性空间机器人鲁棒H_∞控制及振动抑制

讨论了参数不确定漂浮基柔性空间机器人关节空间的轨迹跟踪及柔性振动主动抑制问题.结合时延估计和鲁棒H_∞控制的优点,设计了时延估计鲁棒H_∞控制器跟踪期望轨迹.采用时延估计在线获得系统的未知动力学,并对控制过程加以补偿.引入L_2增益控制对时延估计误差的L_2干扰进行抑制,进一步提高系统的鲁棒性.理论分析证明引入的L_2增益控制能够将时延估计误差对系统的影响抑制到满足鲁棒H_∞性能,且闭环系统的所有信号都是有界的.运用虚拟控制力改造了原有方案,致使仅通过一个控制输入便可实现既跟踪期望轨迹又抑制柔性振动的控制目标.仿真实验证明了所提控制方案的有效性,对比结果证明了柔性振动主动抑制的有效性.     

一种抑制扰动的轴向磁轴承鲁棒控制新方法

从鲁棒稳定性和抑制扰动的动态性能角度,分析了干扰观测器应用到轴向磁轴承时其有效带宽较低的问题,指出磁轴承易受到低频干扰并提出了一种抑制扰动鲁棒控制方法.基于动态分析建立了轴向磁轴承的名义模型,并设计了内环控制的干扰观测器,采用标准H∞问题的方法设计抑制扰动鲁棒控制器作为外环控制.仿真分析与实验说明了该方法能够提高干扰观测器的带宽,同时,实验验证了对于系统参数不确定性具有较强的鲁棒性能,对比单一的控制方法具有良好的抑制扰动能力.     

一种带大挠性附件卫星的低阶鲁棒控制方法

针对带有大挠性附件卫星存在参数不确定性和外部扰动的问题,提出一种基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒H∞反馈控制方法.在卫星动力学模型中考虑了太阳帆板对日定向转动及天线展开过程中参数的摄动问题,进一步设计适用于线性参数时变(LPV)系统的多输入多输出(MIMO)反馈控制器,证明闭环系统在参数大范围摄动下的鲁棒稳定性.相比经典控制方法,当结构参数变化较大且三轴姿态为动态时变时,在满足期望性能指标的同时,可以有效地抑制挠性附件的振动且具有较强的抗扰能力.最后通过仿真验证了所提方法的有效性.     

基于LMI的电液伺服加载系统多目标鲁棒控制

为提高多通道电液伺服加载系统的性能,设计了基于线性矩阵不等式(LMI,Linear Matrix Inequalities)的多目标鲁棒控制器.首先将加载系统中的参数时变性、通道间的耦合以及非对称缸加载的差异性当作不确定性来处理;然后将系统的频宽要求通过性能权函数加以考虑,将不确定性通过鲁棒权函数加以考虑,将系统的时域瞬态响应特性通过区域极点配置加以考虑,并将这样一个多目标控制问题通过建立和求解基于LMI约束的凸优化问题来解决.仿真结果表明,基于LMI的多目标鲁棒控制非常适合多通道电液伺服加载系统的特点,可以使加载系统在较大范围的参数变化时仍具有良好的动态性能.      

基于LMI的模糊增益调参控制器的设计

利用线性矩阵不等式(LMI)技术将增益调参的控制律设计转化为相应的LMI凸优化问题,结合 模糊控制和H_∞方法,给出了一种基于LMI的模糊参数化的飞控系统增益调参控制器的 设计方法,该方法解决了传统增益调参设计中以经验设计的弊病,并保证了系统的全局 稳定性及鲁棒性能要求.将该方法应用于某型飞机模型上,仿真结果表明该设计方法简便有 效,且控制器鲁棒性较好.     

多体航天器大角度机动鲁棒控制

研究了具有模型不确定性的多体航天器大角度机动控制问题。航天器姿态动力学方程具有不确定性和非线性。首先通过逆系统方法求得近似伪线性系统,然后应用H∞混合灵敏度方法和μ综合方法设计了两种鲁棒控制器。通过引入PD控制器,避免了H∞控制器设计时方程出现奇异。针对航天器中心体与天线同时跟踪不同目标的任务,进行了数值仿真。仿真结果表明在同等条件下两种鲁棒控制器都能满足鲁棒稳定性指标,其中μ控制器的鲁棒性能更好。     

考虑系统不确定性的高超声速飞行器容错控制

针对一类含有执行器失效故障和范数有界不确定性的系统,提出了一种鲁棒容错跟踪控制设计方法。该方法利用有界实引理,给出了保证闭环系统稳定且满足鲁棒性能要求的线性矩阵不等式（LMI）的表达式;为了削弱控制器的保守性,使用不同的Lyapunov变量对应不同的系统状态;由此带来的非凸优化问题,发展了一种迭代线性矩阵不等式算法。考虑到该迭代算法的收敛性取决于初值的选择,经过推导给出了一种求解合适初值的算法。将该算法应用于高超声速飞行器X-33跟踪控制器的设计,仿真结果表明本文算法是可行和有效的。      

基于状态反馈的黄金分割控制器参数化方法及其在高超声速飞行器上的应用

研究气动参数摄动和外界扰动下高超声速飞行器姿态系统的鲁棒自适应控制问题.引入特征建模的思想对高超声速飞行器的姿态系统建立二阶差分方程模型.考虑到高超声速飞行器再入过程要经历飞行环境的剧烈变化的特点,为了提高闭环系统的瞬态响应性能和抗扰能力,设计了黄金分割鲁棒自适应控制器.该控制器具有与特征模型相似的结构,控制器参数通过在线辨识获得,并且按照黄金分割比生成控制信号,能够保证辨识参数收敛过程中系统的稳定性.基于混合H2和H∞控制思想对标准的黄金分割自适应控制器中的参数λ进行在线优化,从而保证了姿态回路对气动参数摄动和外界扰动具有满意的鲁棒性.所提出的λ(k)优化算法是通过对一组线性矩阵不等式求解得到的,因此易于工程实现.改进后的黄金分割鲁棒自适应控制算法在自适应性和鲁棒性的优越性使得该方法尤其适用于高超声速飞行器姿态控制系统.仿真结果验证了控制方法的有效性和实用性.     

航天器空间自主交会故障诊断

研究了空间自主交会中最终逼近段轨道控制的故障诊断问题.采用C-W方程描述圆轨道上的目标航天器与追踪航天器的相对运动关系,首先针对C-W方程设计了基于开环模型的未知输入鲁棒故障观测器,然后针对空间自主交会的闭环控制问题,设计了基于线性矩阵不等式(LMI)的H∞控制器.在有干扰条件下,进行鲁棒控制和PD控制两种控制器的自主交会对比仿真,仿真结果表明设计的控制器可以完成自主交会任务,但故障诊断器在不同的控制器下诊断的效果并不一样,最后进行了总结并探讨了这一阶段新的研究方向.     

一种基于2DOFH∞控制器的航天器姿态控制方法

研究某航天器俯仰轴姿态的二自由度鲁棒控制问题．首先分析俯仰轴系统中存在的主要不确定性,建立系统的结构与非结构不确定模型;然后将二自由度鲁棒控制方法应用于俯仰轴系统中设计H∞控制器,由于得到的H∞控制器阶次过高,对其进行降阶处理;最后进行仿真验证．结果表明该控制器对干扰力矩和参数不确定性的影响具有良好的鲁棒稳定性．     

高超声速飞行器异步切换的鲁棒H∞控制

针对高超声速飞行器子系统与控制器异步切换问题,提出了一种鲁棒H_∞控制策略.构造了依赖于控制器切换信号的Lyapunov函数,可以有效抵消由异步切换带来的控制器设计困难,结合平均驻留时间方法和Lyapunov函数方法,分析了系统的全局一致渐近稳定性和H_∞性能指标,设计了异步切换的鲁棒H_∞控制器.仿真结果表明,该方法实现高超声速飞行器在异步切换过程中对指令的精确跟踪,控制量在异步切换时刻无跳跃现象,同时对扰动具有较强的抑制作用.     

柔性航天器姿态快速机动的自适应控制方法

 研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题。根据带柔性附件的航天器的动力学模型推导并建立其特征模型。基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速机动控制和弹性附件的振动快速抑制。理论分析和数学仿真表明,该方法对控制器参数及被控对象的不确定性有很强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,能取得比工程中常用的比例-微分(PD)控制更快的机动速度和更好的控制性能。     

输入滞后和状态滞后系统的鲁棒H∞控制

针对一类具有状态滞后、输出滞后和凸多面体不确定性的连续时间系统,研究了时滞依赖型鲁棒H_∞控制器的设计问题.通过引入两个附加的松弛矩阵使Lyapunov矩阵和系统矩阵得到分离,得到一个新的鲁棒H_∞性能判据,并基于该判据设计了系统的鲁棒H_∞状态反馈控制器.设计的状态反馈控制器不但保证闭环系统的二次稳定性,同时使系统的H_∞范数小于一个给定的衰减水平.并且设计了一个迭代算法得到问题的次最优解.指出了一种可以在现有的研究成果的基础上得到新的具有更低保守性的性能准则的有效途径.最后通过一个数值算例验证了所提出算法的可行性和优越性.     

航空发动机多变量变增益控制器设计及仿真

针对航空发动机全包线工作下的多变量变增益控制器设计问题,给出了一种改进的埃德蒙德算法（以下简称KQ算法）并进行了仿真应用。首先,阐明了多变量KQ算法的控制原理与优化算法,进而通过闭环期望函数选择、控制器结构选择以及控制器参数优化进行了KQ控制器设计,并针对所设计的KQ控制器,给出了稳定性证明和系统奇异值分析。分析表明所设计KQ控制器能够使系统闭环稳定,且具有满意的低频指令跟踪、干扰抑制能力、传感器噪声的抑制、高频未建模动态的鲁棒稳定性和低频发动机建模误差不敏感等性能,满足发动机控制要求。其次,通过调度变量选择、设计点KQ控制器设计以及采用插值方法的非设计点KQ控制器设计等过程实现某型涡扇发动机的多变量KQ变增益控制器设计研究,并进行仿真验证。仿真结果表明,设计点条件下,当涡轮后温度和增压比参考输入均为阶跃信号时,其被控参数响应速度很快,且上升时间均小于1 s,耦合影响小于6%,设计点KQ控制器满足控制要求;非设计点条件下,利用插值方法建立的KQ变增益控制器具有较好的性能,能够实现该型涡扇发动机全包线控制性能要求。      

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.     

不确定非线性主动容错控制系统模糊控制设计

考虑到实际主动容错控制系统中故障以及故障检测与隔离(FDI,Fault Detection and Isolation)决策出现的随机性,随机故障与FDI决策行为分别用两个Markov过程描述,用T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型表达不确定非线性主动容错控制系统,并基于并行分布补偿(PDC,Parallel Distributed Compensation)方案,给出了能够保证闭环模糊系统鲁棒随机稳定的模糊控制器设计方法.鲁棒容错模糊控制器的存在条件由一组线性矩阵不等式(LMI,Linear Matrix Inequality)给出,从而方便地利用优化技术求解,随后倒车控制系统的仿真结果验证了所建议方法的有效性.      

基于重复自抗扰控制的索网天线振动抑制

为解决索网天线在轨运行过程中的振动抑制问题,提出一种基于重复自抗扰复合控制器的主动振动控制方法。首先,使用有限元法建立天线型面的振动动力学模型,基于模态截断的方法对动力学模型进行降阶并转化为状态空间方程的形式。然后,基于能量最小化准则,使用遗传算法对传感器/作动器的位置进行优化。最后,设计了基于线性自抗扰控制的天线型面振动主动抑制算法,并在此基础上设计前馈重复控制算法,通过对反馈控制周期性误差的学习,提高控制器抑制周期性扰动的能力。仿真结果表明,相比无控状态时,所提出的控制方法可将型面扰动降低97.0%,振动抑制效果优于PID控制器。所设计的控制方法为天线型面的振动控制提供了一种新的技术手段。