飞行器航迹倾角的自适应动态面控制

针对飞行器纵向模型具有参数不确定性和外界干扰的特点,提出一种飞行器航迹倾角的自适应动态面控制方法.动态面控制方法通过引入一阶低通滤波器避免了传统反演设计存在的"微分爆炸"现象,采用自适应律对模型未知参数进行在线估计,并利用非线性阻尼项克服外界干扰.通过Lyapunov方法证明得出闭环系统半全局一致稳定,跟踪误差可通过调节控制器参数达到任意小.仿真结果表明:该方法能在简化控制设计过程的同时保证航迹倾角跟踪上预定轨迹,控制系统具有较强的自适应能力且对外界干扰具有一定的鲁棒性.     

绳系拖曳飞行器高抗扰轨迹跟踪控制

针对受未知风扰动作用下的绳系拖曳飞行器轨迹精确控制问题,设计了一种基于最小学习参数神经网络估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法。首先,结合绳系拖曳系统多刚体动力学模型,构建拖曳飞行器六自由度非线性模型,并完成其仿射非线性化处理。其次,考虑到拖曳飞行器可能受到前方飞机尾涡、紊流和阵风等未知气流及不可测量瞬变缆绳拉力等扰动的综合影响,构建了基于最小学习参数神经网络的拖曳飞行器状态/扰动在线估计器,以准确重构系统不可测量集总扰动。然后,基于所提状态/扰动在线估计器,设计了一种基于最小学习参数神经网络状态/扰动在线估计器的拖曳飞行器轨迹动态面控制方法,并分析了系统稳定性。最后,仿真表明,所提方法能够在多重气流扰动下实现拖曳飞行器位置稳定和机动轨迹跟踪。      

小天体自主附着多滑模面鲁棒制导方法研究

小天体形状不规则及缺乏观测信息的特点使得小天体附近的动力学环境较为复杂,附着动力学模型存在较大不确定性。通过引入多滑模面鲁棒制导方法,分别设计2个滑模面,使探测器状态先后到达这2个滑模面,可实现指定时刻精确附着小天体的目标。通过选取参数的分析总结了制导律中相关参数的选取对燃料消耗的影响,给出了制导律相关参数选取原则。在存在外界环境扰动、初始状态误差和导航误差条件下,蒙特卡洛仿真结果表明:多滑面制导方法能够在小天体的不确知环境中实现高精度附着,且具有很好的鲁棒性。多滑模面制导方法精度高、鲁棒性好,且无需设计参考轨迹,实时性好,适合小天体自主精确附着的任务需求。     

控制力矩陀螺框架高精度周期随动控制

为实现控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度周期随动控制,采用比例积分微分(PID,Proportion Integration Differentiation)控制器结合重复控制器的控制方式,PID控制器实现框架伺服系统静态和匀速运动的高精度控制,插入式重复控制器实现对周期性输入信号的精确跟踪.对控制力矩陀螺框架系统进行了建模,设计了PID控制器与插入式重复控制器,并分析了重复控制器的稳定性条件、稳态跟踪性能和对扰动的抑制能力.仿真结果和实验结果表明:采用插入式重复控制器使控制力矩陀螺跟踪1Hz给定速度信号时的稳态跟踪误差大幅减少.PID控制器结合插入式重复控制器结构简单,两者可分开独立设计,参数设计容易.     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器减步控制

针对高超声速飞行器强非线性,强耦合与高度不确定性的特点,提出一种基于高阶跟踪微分器的减步控制方案。将高超声速飞行器纵向模型表达为严反馈形式。在反步法设计框架中,引入跟踪微分器,利用其对给定信号任意阶导数精确估计的能力,计算第1步设计中产生的虚拟控制量的导数,并直接获得第2步实际控制量,从而将设计步骤从3步减少为2步。且在每步设计中将参数不确定性与外部扰动建模为等效干扰,设计扩张状态观测器获得等效干扰估计值,继而在控制器设计中进行补偿。利用Lyapunov方法证明闭环系统稳定性。仿真结果验证了所提控制方案对不确定及干扰的抑制作用,且跟踪精度优于传统动态面方法。     

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.     

基于极点配置的真空热试验温度轨迹自适应补偿控制

为了在航天器真空热试验中对试件温度按指定轨迹精确控制,通过变量代换对真空冷背景环境下的对象模型进行稳态线性化近似处理;通过系统辨识技术对广义对象的时滞和模型参数进行了联合辨识;依据对象估计模型,按照极点配置方法设计了自适应控制律,使闭环系统具有期望的闭环稳定性;根据估计模型的延迟和闭环期望特性设计了自适应补偿器,从而提高了控制系统对给定输入的跟踪性能.运用该方法在模拟太阳翼的温度轨迹跟踪试验中取得了满意的控制效果.     

挠性航天器的自耦PD姿态控制方法

针对存在模型参数不确定以及受到外部干扰的挠性航天器的高精度姿态控制和主动振动抑制问题,根据自耦PID(auto-coupling proportional integral derivative, ACPID)控制理论提出了一种简单的自耦PD(auto-coupling proportional derivative, ACPD)控制方法.将挠性航天器姿态运动的已知和未知内部动态以及外部干扰定义为一个总扰动,进而将其等价映射为一个二阶线性扰动系统.据此构建了在复合总扰动反相激励下的受控误差系统,根据ACPID控制理论分别设计了ACPD姿态控制器和ACPD主动振动控制器,并分析了每个系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性.仿真试验结果表明,ACPD姿态控制器对姿态角指令有较好的跟踪性能,ACPD主动振动控制器也能有效地抑制挠性附件的振动.     

基于微分器的轨迹线性化控制方法及其应用

针对当前轨迹线性化控制(TLC)方法对系统中的不确定性存在鲁棒性不足的问题,受非线性跟踪微分器设计思路的启发,提出了一种基于微分器设计原则的轨迹线性化控制方法.首先,引入二阶线性微分器(SOLD)的概念,通过理论分析指出了当前轨迹线性化控制方法中采用一阶惯性+伪微分器求取标称指令的微分信号时,会存在与二阶线性微分器类似的峰值现象,随后利用韩式跟踪微分器(TD)求取标称指令及其微分信号,避免了该现象的同时又赋予了系统在控制量的约束范围内调节响应快慢的能力;其次,通过构造期望的闭环系统,跟踪误差动态,直接获取线性时变(LTV)系统的控制量, 使得参数整定不再依赖于并行微分(PD)谱理论,在此基础上,将混合微分器(HD)的非摄动形式等价为期望的闭环系统跟踪误差动态,以提升轨迹线性化控制方法的鲁棒性,同时借助Lyapunov稳定性理论证明了受扰系统的跟踪误差最终一致有界;最后,利用所提出的轨迹线性化控制方法设计了高超声速飞行器的姿控系统并进行了相应的仿真.结果表明:存在大范围气动参数摄动的情况下,本方法仍具有较好的控制性能及抗干扰能力,能够满足高超声速飞行器快时变、高精度以及强鲁棒的控制需求.      

二阶离散线性对象黄金分割控制器抗饱和设计

针对存在输入饱和的二阶离散线性系统，将黄金分割控制方法和基于LMI抗饱和设计方法相结合，采用黄金分割控制器设计标称控制器，进而进行抗饱和设计，求解相应的抗饱和补偿器，保证了整个闭环系统的稳定性.数值仿真验证了黄金分割控制器在抗饱和设计中，对参数的鲁棒性和较好的控制特性.     

Robust optimal sliding mode control for the deployment of Coulomb spacecraft formation flying

Inter-spacecraft electrostatic force (Coulomb force) is desirable for close formation flying control because of its propellant-less and free contaminate characteristics attributed to the propellant exhaust emission. This paper presents robust optimal sliding mode control to deal with the problem of thruster saturation in tracking the formation trajectory for Coulomb spacecraft formation flying. The robust controller design is based on optimal control theory as a linear quadratic system, and it is augmented with an integral sliding mode control technique. The stability of the closed-loop system is guaranteed using the second Lyapunov method. The developed controller outperforms the existing ones, because it has a higher degree of fine-tuning to cope with the uncertainty. Numerical simulations are employed to confirm the efficiency of the developed controller.     

基于模糊神经网络干扰观测器的组合体航天器姿态控制

针对非合作目标存在对抗性力矩输出情况下的组合体航天器姿态控制系统,提出了一种基于模糊神经网络干扰观测器（Fuzzy Neural Network Disturbance Observer,FNNDO）的非奇异终端滑模（Nonsingular Terminal Sliding Mode,NTSM）有限时间控制策略。首先以服务航天器为基准,建立组合体航天器姿态数学模型,然后针对包含惯量不确定性、目标对抗性力矩等的等效干扰力矩,设计了一种具有自适应能力的FNNDO,可以实现对等效干扰的有效跟踪。在FNNDO的基础上,设计NTSM控制器,利用Lyapunov理论证明闭环系统的有限时间稳定性。最后,仿真实验结果表明了控制策略的有效性和观测器在观测性能上的优越性。     

Backstepping sliding-mode control of stratospheric airships using disturbance-observer

In the presence of unknown disturbances and model parameter uncertainties, this paper develop a nonlinear backstepping sliding-mode controller (BSMC) for trajectory tracking control of a stratospheric airship using a disturbance-observer (DO). Compared with the conventional sliding mode surface (SMS) constructed by a linear combination of the errors, the new SMS manifold is selected as the last back-step error to improve independence of the adjustment of the controller gains. Furthermore, a nonlinear disturbance-observer is designed to process unknown disturbance inputs and improve the BSMC performances. The closed-loop system of trajectory tracking control plant is proved to be globally asymptotically stable by using Lyapunov theory. By comparing with traditional backstepping control and SMC design, the results obtained demonstrate the capacity of the airship to execute a realistic trajectory tracking mission, even in the presence of unknown disturbances, and aerodynamic coefficient uncertainties.     

刚体卫星姿态的有限时间控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,设计了不存在和存在扰动力矩两种条件下的有限时间状态反馈控制律.对于无扰动力矩情形,基于非线性齐次系统性质,设计了一种便于工程实践性的连续、非奇异的比例微分形式控制算法,保证姿态闭环系统有限时间收敛到零点,而且此算法能直接推广到卫星姿态跟踪问题.对于存在扰动力矩的情形,基于有限时间Lyapunov定理设计的连续、非奇异的控制力矩保证卫星姿态和角速度在有限时间内收敛到原点附近的邻域.当外扰力矩为零时,此控制律使闭环系统状态有限时间收敛到平衡点.数学仿真结果说明了提出的控制算法有效.     

Adaptive sliding mode control of spacecraft attitude-orbit dynamics on SE(3)

In this paper, to solve the problem of parameters uncertainty in spacecraft tracking control, an adaptive controller based on sliding mode is proposed for the relative spacecraft attitude-orbit dynamics on the Lie group SE(3). The dynamic equations of relative attitude orbit error for two spacecraft are established in the framework of Lie group SE(3). Considering the uncertainty of spacecraft parameters, a formal decomposition of known and unknown parameters, the state variables and control variables is firstly made in the original system. An online estimator is designed to evaluate the unknown parameters. A sliding mode controller is developed to actuate the spacecraft to track the target spacecraft. Then a Lyapunov function of tracking error and parameters estimated error is designed to prove the stability of the closed-loop system. Finally, the simulation results and analysis are presented to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.     

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.     

基于时变增益ESO的多航天器SO(3)姿态协同控制

针对多航天器姿态协同控制问题,基于特殊正交群（SO（3））研究了存在干扰情形下的控制设计方法。结合有向通信拓扑建立了多航天器SO（3）模型,在此模型的基础上提出了一种时变增益扩张状态观测器（ESO）对系统的总干扰进行估计,削弱了常值增益ESO的峰化现象。利用相邻航天器的信息给出了旋转矩阵形式的协同指令,进一步基于SO（3）方法设计了协同控制器。同时采用ESO的输出在所设计的控制器中对系统的干扰进行补偿,从理论上给出了ESO的收敛性以及闭环系统的稳定性证明,保证多航天器系统能够实现稳定协同。仿真结果验证了本文方法的有效性和快速性。      

基于双环滑模控制的直/气复合控制系统设计

直/气复合控制导弹具有强干扰、强非线性以及强耦合等特点，传统的姿态控制器难以适用于该种复杂干扰并存的情况，文章提出了基于双环滑模控制的直/气复合控制器。首先采用有限时间收敛趋近律分别构造内外环滑模控制器，并将角速度回路的滑模变量量化为直接力指令，以解决空气舵与姿控发动机之间的耦合问题。接着使用非线性扩张状态观测器估计综合干扰，从而设计控制器补偿侧向喷流干扰及模型不确定性等综合干扰的影响。然后基于李雅普诺夫方法证明了控制系统闭环稳定，分析了干扰补偿对控制器收敛域的影响。最后仿真结果表明，该方法跟踪速度快，动态过程平稳，具有较强的干扰抑制能力，具有很强的鲁棒性。     

考虑燃料晃动效应的航天器自适应滑模姿态控制

针对一类带有球形储液箱的航天器,在将其等效为单摆模型的基础上,分析了系统方程的特点,将系统的状态变量分为两部分,并考虑到在航天器机动过程中燃料消耗作用的影响,导致系统方程中的三个重要参数发生变化.基于以上原因,设计了一种自适应分层滑模控制器,采用李雅普诺夫函数法求取自适应控制律和总的控制量,保证闭环系统的稳定性.最后通过仿真验证这种控制器设计不仅可以使系统姿态在短期时间之内达到稳态,还同时抑制了液体晃动产生的影响.