飞机电静液作动器滑模 PID控制器设计

在多电飞机应用环境中,由于电静液作动器（Electro Hydrostatic Actuator,以下简称EHA）系统本身的强非线性与承载交变动载荷的不确定性,简单PID控制无法达到理想控制效果。提出了滑模 PID复合控制,电机电流环和转速环构成控制系统内环,以PI控制器实现电机调速;作动筒位置环为外环,以滑模控制提升系统的快速性和鲁棒性。建立了EHA数学模型,并设计了滑模控制器结构。仿真结果表明,滑模 PID复合控制方法能有效地消除超调和减小跟随误差,实现对EHA位置的精确控制。     

用于离心式作动器的变滑模面滑模控制

作动器系统是组成直升机结构响应主动控制（ACSR）系统的重要子系统之一，为解决离心式作动器同时实现输出力幅值、相位和频率跟踪以及输出力跟踪误差问题，提出了一种基于滑模变结构控制的变滑模面控制（VSMSMC）方法。首先，根据离心式作动器原理建立了偏心块的输出力方程以及包含参数变化、外部扰动及线性摩擦等不确定因素的永磁同步电机（PMSM）动态方程；然后，通过对离心式作动器输出力控制原理进行分析，结合滑模控制理论的特点，将离心式作动器偏心块相位控制期望信号引入滑模控制的滑模面方程，设计了基于PMSM电流环的变滑模面滑模控制律，并利用李雅普诺夫函数证明了所设计的滑模控制律的可达性和稳定性。最后，在MATLAB/Simulink环境下将所设计控制律应用于离心式作动器输出力控制进行了仿真实验，与现有方法相比，所设计控制律能够较好地同时跟踪期望谐波力的幅值、相位和频率，提高了离心式作动器跟踪精度和离心作动器启动时的输出力跟踪响应速度并具有较好的抗干扰能力。     

基于细菌觅食优化算法的永磁同步电机位置伺服系统模糊控制策略

针对PID控制器参数固定而引起永磁同步电机(PMSM)位置伺服系统控制效果不佳问题,设计了基于细菌觅食优化算法的模糊控制器。该位置控制系统是以空间矢量控制为理论基础,由位置环、速度环、电流环构成的PMSM三闭环控制系统。在MATLAB/Simulink环境中将模糊控制器应用在系统位置环上。对比仿真结果发现,参数优化后的模糊控制器在系统位置环的作用更加优越,完全克服了传统PID控制器的缺点,能有效提高电机位置控制的快速性和准确性。     

CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化

研究了运用压电陶瓷作动器对碳纤维增强复合材料（CFRP）格栅反射器的型面主动控制。首先，采用了一种具有独立电压自由度的梁单元，以及考虑高阶剪切变形的板单元，对主控格栅反射器进行有限元建模；运用能量变分哈密尔顿原理推导了主控格栅反射器的有限元控制方程，并给出了反射面型面残余均方根（RMS）误差最小的电压最优控制方法。然后，研究了在典型载荷下，反射面残余RMS误差最小的PZT作动器位置分布的优化配置问题；提出了一种将遗传算法和梯度投影方法相结合的改进优化方法，用来求出在限定作动器数量的条件下，作动器几何位置的优化配置，使控制后反射面的残余RMS误差最小；给出的数值算例验证了方法的正确性和有效性。最后，研制了格栅反射器型面主动控制的实验样机，针对反射器的初始制造误差进行了型面主动控制，验证了控制方法的可行性和有效性。     

辅助动力装置系统进气风门位置控制设计与研究

辅助动力装置系统进气风门位置控制子系统用于地面和空中控制辅助动力装置进气风门的打开和关闭,通常由控制器,作动机构(电动作动器和连杆机构)组成。辅助动力装置系统进气风门位置控制子系统的设计是辅助动力装置控制系统设计的一部分,和辅助动力装置进气风门设计、进气风门气动载荷计算分析及辅助动力装置进气道设计同步进行,相互影响。对某型飞机的辅助动力装置系统进气风门位置控制设计方案进行了介绍,该风门位置控制采用单独的风门控制器,降低了辅助动力装置FADEC(Full Authority Digital Electrical Controller,全权限数字电子控制器,简称FADEC)软硬件设计复杂度,简化了接口设计;并且设计了一种新型辅助动力装置系统进气风门作动机构,该作动机构安装/拆卸方便,可达性好;具有力矩放大功能,且该机构可调节,能输出不同大小的力矩。该进气风门位置控制子系统经过型号验证,对后续型号研制具有较强的指导性。     

二维翼段颤振的μ控制

 采用超声电机作为作动器来实现含控制面的翼段颤振鲁棒抑制。针对作者设计的二维翼段颤振主动抑制系统，通过理论与实验相结合的方法，建立了考虑沉浮方向阻尼和作动器模型参数不确定性的控制系统模型，设计了μ控制器，并对控制器做了降阶处理。数值仿真和风洞试验表明，μ控制器可有效地抑制颤振的发生，将颤振临界速度提高23.4%。相对于H_∞控制器，μ控制器的控制效果和鲁棒性更好。     

作动器故障下的无人机容错控制方法

在执行任务过程中,无人机的传感器、作动器等均可能出现故障。文章针对常规布局无人机的作动器故障,提出了 1种反步法和控制分配相结合的容错控制方法。首先,建立无人机数学模型,并对作动器故障进行分类和建模;然后,根据模型设计反步最优控制器和基于控制分配的容错控制器;最后,通过仿真验证表明,所设计的容错控制方法能够实现作动器故障下的姿态快速稳定控制,且稳定性好,基本无侧滑角,各操纵面均在约束范围内,达到容错控制要求。     

考虑扰动输入/性能输出分布时作动/传感器配置优化

 针对结构振动控制问题，提出了一种考虑扰动输入/性能输出分布信息时作动/传感器的优化配置准则。在降维的模态坐标下建立状态空间形式的结构动力学方程，通过Lyapunov方程求解扰动和作动器的能控性Gramian矩阵，并利用矩阵奇异值分解获得扰动的能控性方向和作动器的能控性方向，通过同时最大化作动器对结构的作动能力以及作动器的能控性方向与扰动的能控性方向的一致性来确定作动器的最优位置。类似思想用于确定传感器的最优位置。以采用压电片为作动器的悬臂梁为例阐述了新准则的应用。     

基于PNN网络的余度作动器智能故障诊断

提出了一种基于概率神经网络(PNN)的余度作动器故障诊断方法,分析了传统阀芯位置监控器的设计思想及设计缺陷,构建了基于PNN网络的阀芯位置监控器,最后完成了基于PNN网络的作动器仿真实验。实验结果表明,基于PNN的阀芯位置监控器具有较强的故障诊断能力,有效地提高了作动器两通道工作时识别阀芯位置监控器的故障准确率,可以成为作动器智能故障诊断与健康管理的重要方法之一。     

直驱阀控制系统设计及验证

为提高直驱阀系统的动态特性和稳定性,设计了1种位置环加电流环的直驱阀双闭环控制系统,其中位置环采用比例积分控制加相位超前校正,电流环采用比例积分控制。在MATLAB平台上,开展了电流环仿真、位置环的参数辨识以及仿真;在由DSP和FPGA构成的验证平台上,开展了试验验证,电流环与位置环的控制效果与仿真模型均一致,获得了400 Hz以上的电流控制带宽和25 Hz以上的位置控制带宽。研究结果表明:此控制器设计及校正方法可有效提高直驱阀系统的动态特性和稳定性。     

基于H∞方法的控制系统作动器最优控制仿真研究

在设计控制系统模型时,首先引入了有限差分法(FDM)离散化后的波动方程,然后基于H∞最优控制原理,检查闭环控制系统的稳定性和可探测性,对控制系统传感器和作动器的位置进行优化配置.通过计算闭环反馈系统的范数,最终得到了控制系统的最优控制算法.仿真结果表明,利用波动方程来优化控制系统传感器和作动器位置的算法是可行的,可广泛应用于飞控系统的设计中.     

基于无源性与势场法的四旋翼避障与位置控制

针对四旋翼无人机位置控制与障碍避让问题，提出了一种无源控制理论和人工势场法相结合的控制策略。将整个控制系统分解为外环位置控制器和内环姿态控制器两部分。在外环控制器设计中，采用级联系统的无源性理论，并通过选取适当的势场函数作为存储函数，解决定点跟踪过程中的避障问题。在内环控制器设计中，采用四元数描述姿态动力学方程，并基于Lyapunov函数设计内环控制律。在此基础上，进一步构造无源位置子系统和姿态子系统的互联结构，保证了整个闭环系统的稳定性。最后，通过仿真结果验证了所提出控制策略的有效性与控制性能。     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

基于线性矩阵不等式的电传飞机人机闭环系统稳定域

 针对静不稳定电传飞机作动器速率限制环节引起的Ⅱ型驾驶员诱发振荡(PIO)严重威胁飞机飞行安全的问题,研究了考虑作动器速率限制因素的人机闭环系统稳定域。引入增广状态变量分离速率限制环节,建立了人机闭环系统饱和非线性模型。为得到尽可能大的人机闭环系统稳定域估计,首先将稳定域求解问题转化为凸优化问题,再通过Schur补引理将其转化为线性矩阵不等式的求解问题,最终得到了人机闭环系统椭球体稳定域估计的一般算法。时域仿真研究表明:所估计的稳定域略微保守但不冒进,静不稳定电传飞机的Ⅱ型PIO是一种发散很快的振荡而非极限环振荡,驾驶员操纵增益以及作动器速率限制值是影响稳定域的重要因素。稳定域法物理意义清晰、结果直观,可用于非线性人机闭环系统稳定性的评估。     

基于结构奇异值理论的压电柔性结构振动鲁棒控制

基于结构奇异值μ理论,针对含压电作动器和传感器的柔性结构,提出了不确定性振动控制系统的一般分析框架和鲁棒控制器设计方法.考虑了结构的模态参数不确定性和高阶未建模动态,通过引入适当的虚拟输入、输出和相应的加权函数分离出系统的不确定部分,建立适合于鲁棒μ控制器设计的增广系统,用D_K迭代算法求解控制器,以使闭环系统同时满足鲁棒稳定性和鲁棒性能要求.以含一个压电作动器和传感器的悬臂梁为例设计了鲁棒控制器,仿真结果表明对结构振动具有很好的抑制效果.     

RLV再入姿态双环滑模控制及舵喷混合配置

应用滑模控制设计了一种可重复使用运载器（RLV）再入姿态控制器,该控制器应用双环的滑模控制方案,可以获得对角速度及角度的同时跟踪,并具有较好的鲁棒性和解耦性能。针对RLV再入姿态的动力面与反作用混合控制的特点,运用优化控制选择配置算法把控制力矩指令配置为末端受动器的控制指令,分别由动力面与反作用致动器来执行。再入姿态仿真验证了该方法的精度、鲁棒性以及解耦的跟踪性能及有效性。     

P-ACE仿真器的设计与研究

飞控系统主作动器电子控制装置（P-ACE）是现代电传飞控系统的核心部件。飞控系统主作动器电子控制装置仿真器采用数字仿真模块扩展模拟电路接口的仿真技术,具有与真件功能相似、接口相同的特性,可以代替飞控系统主作动器电子控制装置真件,参与飞控系统的调试和试验,对研究飞控系统的功能和性能具有重要意义。     

超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化

提出一种超磁致伸缩电静液作动器（GMEHA）结构,采用永磁体与控制线圈组合提供驱动磁场.首先建立了该组合磁路数学模型,并给出了超磁致伸缩棒内磁感应强度计算解析式;其次,对以上结构进行了有限元分析（FEA）,得出了磁路主要结构参数与磁场分布均匀性之间映射规律;最后进行了作动器磁场试验研究并与有限元分析结果进行了对比,验证了理论与有限元模型的可预测性,给出了该电静液作动器结构设计方法.结果表明:该电静液作动器的最佳驱动频率为250Hz,最大无负载体积流量为0.85L/min,最大阻断力达到了120N.      

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

改进动态面控制方法及其在过失速机动中的应用

为提高模型飞行试验中飞机过失速机动控制品质,发展了一种考虑非定常气动力效应与舵回路作动器模型的改进动态面飞行控制律。针对一般仿射模型情形的控制律设计了流程:首先针对子系统推导动态面控制律,然后综合全系统并考虑控制约束导出滑模控制律,在一定的假设条件下,证明了闭环控制系统为输入-状态稳定。在应用提出的控制方法进行过失速机动控制律设计中,为准确预测飞机非定常气动力效应,利用过载测量量反解飞机气动力、采用微分方程模型计算飞机非定常力矩。由于综合了作动器动力学模型,控制律的控制效果受作动器带宽影响较小,可以有效消除由作动器动态响应引起的控制效果变差问题,同时控制律中对非定常气动力效应的有效预测也有利于过失速机动品质的改善。