一种考虑最优收敛时间的多无人机编队控制方法

针对多无人机编队过程中的收敛时间问题,提出了一种基于最优控制和粒子群优化算法的一致性编队控制方法。将无人机机动约束和一致性编队控制算法结合,实现了无人机在约束条件下的编队控制。基于人工势场思想,设计了一种具有机间避碰能力的一致性编队控制方法,解决了无人机之间的碰撞问题。通过最优一致性控制和粒子群优化算法优化一致性编队控制方法,在考虑机间避碰的情况下,使整个编队的收敛时间降低1.2 s,整体收敛性能提升6.28%。仿真结果表明该方法能够缩短多无人机的编队收敛时间。     

高超声速飞行器再入段LQR自抗扰控制方法设计

针对高超声速飞行器(HSV)再入过程中强非线性、强耦合、气动参数变化剧烈的不确定性的特点，提出一种基于线性二次型调节器(LQR)和自抗扰控制(ADRC)的高超声速飞行器再入段的姿态控制方法。首先，建立高超声速飞行器再入段线性化模型，并采用LQR方法完成了状态反馈控制律设计。然后，结合自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器(ESO)对系统的模型不确定性和外部干扰进行补偿，大幅增强了系统的扰动抑制能力。最后，将得到的高超声速飞行器再入段LQR自抗扰姿态控制器(LQRADRC)应用于高超声速飞行器六自由度仿真，仿真结果表明本文所提出的控制方法能够快速、精确地跟踪角位置指令，并且对系统不确定性具有强鲁棒性。     

基于自抗扰控制的弹头制导与控制一体化设计

针对弹头再入过程中存在的强耦合、快时变以及气动参数摄动引起的不确定性等问题,采用自抗扰控制(ADRC)技术设计了再入弹头制导与控制一体化系统。首先建立了含不确定性参数、外界随机扰动以及通道耦合因素的,具有级联形式的制导与控制一体化动力学系统。然后根据级联系统的自抗扰控制方法对系统控制器进行分层设计,各层控制器之间彼此关联构成一体化控制系统。自抗扰控制器内嵌的扩张状态观测器(ESO)可对子系统各通道内的综合不确定性进行实时观测,并在误差反馈控制量中予以动态补偿,从而实现了各通道间的解耦控制。计算结果表明:设计的一体化控制系统能够适应各种复杂飞行环境下的导引需求,控制系统具有良好的动态特性和很强的鲁棒性。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

无人机飞行控制系统的自抗扰姿态稳定控制

将自抗扰控制应用于无人机飞行控制系统。论述自抗扰控制的方法原理,并运用该技术设计控制律。首先利用跟踪微分器安排过渡过程,以达到快速、准确跟踪给定信号的目的。然后通过扩张状态观测器实时估计出系统的不确定干扰,并以反馈量的形式引入控制输入,从而起到实时补偿系统扰动的作用,实现姿态稳定控制。数值仿真结果表明,该方法抗干扰能力强,具有控制品质好、精度高、算法简单等特点。     

考虑执行机构故障的运载火箭自适应滑模容错控制

针对执行机构故障下的运载火箭姿态指令跟踪问题，在考虑内部未建模动态、外部不确定干扰等因素的影响下，设计了一种基于新型扩张状态观测器(ESO)的自适应滑模容错控制器。首先，基于一种新型级联降阶扩张状态观测器，对系统的未建模动态、外部干扰等不确定性进行估计。在此基础上，结合滑模控制理论，设计了一种固定时间收敛的自适应滑模控制律，能够获得观测器干扰估计误差的上界信息，同时消除滑模控制的抖振现象。通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，所提出的基于新型扩张状态观测器的自适应滑模容错控制器在执行机构故障情况下仍具有较好的跟踪性能和抗扰能力。     

领航主机约束化的多四旋翼无人机编队航迹优化方法

针对多四旋翼无人机编队队形保持不变情况下的航迹优化问题，在飞行过程中以图论方法为基础将四旋翼无人机编队看作一个虚拟刚体，将编队中的跟随无人机看作领航四旋翼无人机的约束来处理，优化过程中仅考虑领航四旋翼无人机的最大转弯半径约束、队形变换时间约束及转换而来的约束，并将编队飞行所需能量最小作为优化目标，求解多四旋翼无人机编队定时到达目标的航迹优化问题，然后基于Gauss伪谱法对领航四旋翼无人机进行航迹优化，将其转化成一个非线性规划问题。仿真结果表明，利用本文提出的算法可以获得一条平滑飞行航迹，满足定时到达目的地约束、多无人机性能约束和环境约束要求；所获得的航迹能安全绕过障碍物，提高了无人机编队的生存能力，有一定的工程应用价值。     

非线性自抗扰控制器在航天器姿态控制系统中的应用

基于扩张状态观测器 (ESO)的自抗扰控制器 (ADRC)在不确定性系统的估计和控制中得到了广泛发展和应用。本文利用这个理论 ,通过建立非线性观测器来实时、迅速、准确、简单地获取不确定性受控对象的参数和模型摄动及未知外扰作用的信息 ,再通过补偿作用来实现反馈线性化和反馈“确定性化” ,使得控制器结构简单、响应快、精度高。     

基于自抗扰控制的BTT导弹自动驾驶仪设计

针对具有非线性、时变、强耦合和不确定性的Have Dash II BTT导弹控制系统,基于自抗扰控制理论,设计了一种新的BTT导弹鲁棒控制器。利用输入输出反馈线性化,将导弹控制系统分解成了3个单输入单输出的二阶子系统,输出变量的选取保证了系统是最小相位系统。采用自抗扰设计方法,估计并补偿系统中的不确定因素和三通道之间的耦合,以实现控制目的。仿真结果表明该BTT导弹驾驶仪具有良好的动态特性和强鲁棒性。     

基于ESO的用户星天线跟踪指向控制技术

基于独特的非线性扩张状态观测器(ESO),提出了一种用户卫星天线跟踪指向控制系统。该系统由程序跟踪内环和自动跟踪外环组成。内环控制器由三阶ESO、线性比例微分控制律和静态解耦律组成。外环控制器为一简单的积分控制器。ESO能够在不依赖天线模型的情况下估计出系统状态和总扰动(称为扩张状态)。利用该扩张状态实现动态反馈补偿,则天线系统被简化为解耦的积分系统。基于ESO设计天线控制系统,无需精确的用户卫星天线模型。仿真结果表明,提出的天线控制系统具有较高的跟踪指向性能和对干扰和不确定性具有较强的鲁棒性。     

卫星制导炸弹控制回路中的自抗扰控制

针对卫星制导炸弹在实际应用中控制系统所面临的问题,提出了将自抗扰控制用于卫星制导炸弹控制回路中的控制方法,即利用扩张状态观测器对系统的干扰进行实时估计与补偿,将被控对象变成积分器串联型,进行非线性PD控制。分析及数值仿真结果表明,该控制方法具有较强的抗干扰能力,具有控制品质优良、精度高、算法简单等特点,是一种可应用于实际系统中的理想姿态控制方案。     

航天器集群构形控制的虚拟弹簧阻尼网络方法

针对航天器集群质心相对运动构形控制问题,提出了一种基于虚拟弹簧阻尼网络的分布式控制方法。航天器间以虚拟的弹簧阻尼器相互连接,弹簧的原长根据期望的相对运动构形来设定。各航天器的控制输入是与其相连的所有弹簧阻尼器的合力。在线性动力学模型和拓扑结构连通且固定的假设下,基于代数图论的方法推导出了闭环系统稳定性条件。对近地轨道上100个航天器形成格点相对运动构形和20个航天器形成时变距离的椭圆构形的实例进行了仿真,考虑了轨道摄动的影响,结果表明,集群通过虚拟弹簧阻尼网络控制可实现期望构形,并能达到厘米量级的构形保持控制精度。该控制方法不改变集群的质心,只需施加很小的控制加速度;仅基于局部的邻居交互,能够适应大规模集群对分布式控制的要求。     

三维攻击角度约束部分制导控制一体化设计

针对侧滑转弯(STT)导弹带有攻击角度约束的机动目标拦截问题，提出一种基于自适应终端滑模动态面控制的三维部分制导控制一体化(PIGC)设计方法。首先，建立了针对机动目标拦截的侧滑转弯导弹三维部分制导控制一体化设计模型，且不需要导弹速度微分体轴系分量信息。然后，使用终端滑模控制理论构建误差向量与虚拟控制量，达成精确拦截与攻击角度约束的控制目的；引入有限时间非线性收敛扩张状态观测器(ESO)来在线估计系统不确定性；设计自适应算子与自适应更新律对观测器的估计误差进行补偿，以提高方法的鲁棒性。最后，三维空间拦截仿真校验了方法在提高拦截精度与增强角度约束收敛性能的有效性。     

偏置动量小卫星抗干扰能力分析与验证

环境减灾-1A、1B（HJ-1A、1B）卫星和海洋-1B（HY-1B）卫星是三颗偏置动量小卫星,均采用偏置动量轮控制和磁力矩器控制,其姿态控制系统具有较强的抗干扰能力。文章对该卫星的抗干扰能力进行了分析和仿真,并根据在轨运行数据给出了验证结果,表明控制系统具有一定的控制精度和稳定性。     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

Nonlinear 6-DOF control of spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic force

Compared to traditional docking systems, spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic mechanism has distinct advantages. However, its 6-DOF control problem has not been adequately investigated. From our knowledge, this paper attempts to study the 6-DOF control problem for the first time. Based on the far-field electromagnetic force model and Hill's model, the dynamic model of translational motion is derived; using tracking control strategy, LQR method and estimate of Extended State Observer (ESO), an optimal and robust translational controller is designed to satisfy relative position/velocity requirements of soft docking. Representing the attitude of the docking spacecraft pair by unit quaternion, the attitude dynamic and kinematic models with quaternion expression are derived; using behavior-based coordinated control approach and ESO, a decentralized attitude controller is designed to simultaneously align one spacecraft with its absolute desired attitude and with the other spacecraft of the docking pair, requiring no angular velocity measurement and exhibiting better robust capability. The feasibility and performance of this proposed 6-DOF controller are validated by theoretical deduction and simulation results.     

Distributed attitude synchronization of formation flying via consensus-based virtual structure

This paper presents a general framework for synchronized multiple spacecraft rotations via consensus-based virtual structure. In this framework, attitude control systems for formation spacecrafts and virtual structure are designed separately. Both parametric uncertainty and external disturbance are taken into account. A time-varying sliding mode control (TVSMC) algorithm is designed to improve the robustness of the actual attitude control system. As for the virtual attitude control system, a behavioral consensus algorithm is presented to accomplish the attitude maneuver of the entire formation and guarantee a consistent attitude among the local virtual structure counterparts during the attitude maneuver. A multiple virtual sub-structures (MVSSs) system is introduced to enhance current virtual structure scheme when large amounts of spacecrafts are involved in the formation. The attitude of spacecraft is represented by modified Rodrigues parameter (MRP) for its non-redundancy. Finally, a numerical simulation with three synchronization situations is employed to illustrate the effectiveness of the proposed strategy.     

非匹配不确定网络离散滑模控制及在导弹姿态控制中的应用

针对具有模型不确定和时变干扰的线性离散时滞网络控制系统,提出了一种新的滑模控制器的设计方法.证明系统在该控制器的控制下,全局一致有界收敛,并给出了收敛的界.该方法降低了常规滑模控制中的抖振并增强了系统的鲁棒性.由于不需要如常规离散滑模控制那样判断扰动和不确定的界,使该设计方法简单易行,并降低了系统抖振现象.最后将其应用在导弹姿态控制系统的设计中,取得了良好的效果.     

基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同跟踪控制

针对一组有向通讯拓扑关系的编队航天器的协同控制问题,考虑航天器的模型不确定性(指惯量不确定性)以及受到的外部干扰的影响,设计了分布式自适应协同姿态跟踪控制器,使得各航天器姿态协同的同时跟踪时变的期望姿态。首先,针对由MRP参数描述的航天器误差动力学方程,选取了包含相对误差项以及绝对误差项的滑模面,将模型不确定项和外界干扰项作为整体处理,基于Lyapunov稳定性理论给出了非回归项的自适应算法和分布式协同跟踪控制律的设计方法,以使得各航天器协同收敛到期望的姿态,最后通过仿真验证了该算法的有效性、可行性。