重力测量卫星三轴稳定模型预测控制方法

基于卫星重力测量姿态控制任务需求,提出了一种基于模型预测控制的三轴姿态稳定控制方法.给出了将控制力矩和扰动力矩分别作为控制变量和测量扰动的线性化方程,并将推力大小及其变化量作为约束条件.基于离散化状态方程,提出了满足多种约束条件的预测控制方法.通过数学仿真表明了模型预测方法对内编队卫星三轴稳定控制的有效性和可行性.     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计

针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计简

 针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制

针对四旋翼飞行器的强耦合性、非线性、易受外界干扰等控制难点,研究利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行姿态控制的技术问题。通过牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器动力学模型,将不确定性、耦合及参数摄动等干扰作为"总和干扰",利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿,再利用非线性反馈抑制补偿残差,进行四旋翼飞行器姿态控制仿真实验。结果表明:在存在模型参数摄动和外界扰动的情况下,扩张状态观测器很好地实时估计和补偿了四旋翼飞行器的总和干扰,基于自抗扰的四旋翼飞行器姿态控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性。     

无人机零长发射影响因素分析及控制律设计

针对无人机零长发射的安全性问题，首先，根据单发夹角式火箭助推方式和某无人机特点，建立了其零长发射起飞的非线性六自由度运动模型；然后，仿真研究了发射角、火箭安装角、重心和火箭推力线偏差、火箭作用时间，以及常值风干扰等因素对起飞安全性的影响；最后，设计了基于姿态角反馈的起飞控制律和控制策略。仿真与试飞结果表明：影响零长发射起飞安全的主要因素是火箭推力线偏差和侧风干扰；通过选择合适的发射参数并严格控制其误差范围，尽早启控舵面参与姿态控制增稳补偿力矩扰动，可提高无人机零长发射起飞安全性。     

四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真

四旋翼飞行器是典型的欠驱动、非线性、强耦合系统。其姿态控制精度和抗干扰问题一直是研究热点之一。为了实现小型低成本四旋翼飞行器姿态准确控制,详细分析了四旋翼飞行器受力情况,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型,针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中经常会遇到阵风、气流等不确定外界干扰,设计了基于小扰动的PID控制器,并通过对俯仰通道、横滚通道、偏航通道MATLAB/Simulink仿真模型进行仿真测试和结果分析。结果表明:所设计控制算法能够满足四旋翼飞行器姿态控制要求,并具有较好的抗干扰性能。     

状态预测神经网络控制应用于小型可回收火箭

随着商业航天的到来，可重复使用运载器的研究受到广泛关注，以SpaceX为代表的商业航天公司研发的部分可回收火箭表现出了前所未有的竞争力。为了研发可回收火箭技术，翎客航天利用民间工业力量研制了RLV-T3小型可回收火箭验证机，并在该验证机上通过数百次试验逐渐掌握了垂直起降（VTVL）技术。主要介绍了翎客航天在VTVL技术中的一项动力控制技术，提出了状态预测神经网络控制（SPNNC）算法。该算法具有鲁棒性强、适用范围广、控制参数易调整等优点。详细地描述了该算法的原理，并通过Simulink对SISO和MIMO 2种系统进行了仿真。同时详细地论述了将状态预测神经网络控制算法应用于RLV-T3小型可回收火箭的飞行及回收的试验，包括RLV-T3小型可回收火箭的基本特点、控制难点、存在的问题，飞行过程中各物理量的曲线和试验结论。经试验验证，状态预测神经网络控制算法具有良好的控制性能，基于该控制技术，即状态预测神经网络控制算法的RLV-T3小型可回收火箭验证机可以安全地实现垂直起飞、弹道飞行、空中悬停、软着陆回收全流程。     

采用定子电流与扰动观测的永磁同步电机改进预测电流控制

提出了一种采用定子电流和扰动观测补偿的改进预测电流控制(PCC)算法。理论上永磁同步电机PCC具有优异的控制性能,但现实系统中离散采样延时与电磁参数时变等问题使得原理上基于模型的预测电流控制器的控制品质严重恶化。设计了龙伯格(Luenberger)状态观测器实现对定子电流与参数扰动的观测,并应用于补偿和改进经典的无差拍预测电流控制器。将观测到的当前时刻的定子电流替代当前时刻的采样电流用于反馈控制,以补偿采样延时;运行过程中电磁参数的变化使得模型参数失配,其影响以电压扰动的形式被观测出来,并补偿到预测控制输出的电压指令中。仿真和试验结果验证了所提方法的有效性。     

火箭子级垂直回收布局气动特性及发动机喷管影响

垂直回收可重复使用运载火箭是运载火箭发展的一个重要方向,大长细比的火箭子级垂直再入过程属于典型的非规则钝头体绕流,与传统低阻力流线体飞行器气动特性差异较大。采用风洞试验辅以数值仿真分析的方法,对基于栅格舵的火箭子级垂直回收构型基本气动特性和非规则钝头体绕流情况进行了研究,获得了发动机外露喷管和栅格舵对火箭子级垂直回收气动特性的影响规律,给出了火箭子级垂直回收布局设计建议。结果表明：火箭子级倒飞状态下肩部区域会在小迎角下产生大分离流动,外露发动机喷管左右两侧诱导出较强的分离涡结构,与火箭尾翼、肩部大分离流动相互作用;垂直回收构型在超声速下阻力会一直处于较高的水平,不同马赫数下压心移动量较大,倒飞时发动机外露喷管会产生较大的干扰静不稳定力矩,其量值与栅格舵提供的静稳定控制力矩基本相当,在火箭子级垂直回收方案设计时需要引起注意。     

基于神经网络补偿动态逆的飞翼布局无人机姿态控制方法

将动态逆控制技术应用于飞翼式布局无人机的姿态控制回路,以适应飞翼布局无人机控制系统要求。介绍了动态逆控制器解耦控制原理,以及神经网络补偿结构的作用和设计方法,并基于无人机非线性姿态运动学和动力学模型设计了基于神经网络补偿的动态逆控制器。在强耦合、强非线性的飞翼布局无人机模型上,通过数学仿真验证了系统具有良好的动态性能和稳态特性,控制器具有很强的鲁棒性。     

高超声速飞行器全局有限时间姿态控制

针对飞行中气动参数剧烈变化的高超声速飞行器(Hypersonic Vehicle,HSV)的姿态控制问题,提出了一种基于非线性积分滑模的全局有限时间控制策略。首先,根据多时间尺度理论将HSV姿态控制系统分为慢回路子系统和快回路子系统;其次,对快慢回路分别设计非线性积分滑模全局有限时间控制器和非线性干扰观测器,以实现系统的全局有限时间稳定;利用干扰观测器对气动参数变化引起的模型不确定性进行精确估计,从而实现控制器的有效补偿,并基于Lyapunov理论证明了整个系统全局有限时间稳定。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的控制性能和强鲁棒性。     

基于C/GMRES模型预测控制的滑翔段轨迹跟踪研究

针对使用非线性模型预测控制方法进行再入飞行器滑翔段轨迹跟踪时计算量大、耗时长的问题,采用了一种基于延拓法的广义极小残差数值算法(C/GMRES)快速解算非线性模型预测控制中的优化问题。首先给出了滑翔段纵向运动方程;然后采用基于C/GMRES算法的非线性模型预测控制律进行纵向轨迹跟踪并离线规划航向角误差走廊;最后采用倾侧反转策略改变倾侧角的符号以实现横向轨迹控制。仿真结果表明:C/GMRES算法的引入有效解决了传统方法求解两点边值问题时耗时长的问题,同时该轨迹跟踪控制律对初始状态扰动和动态干扰具有较强的鲁棒性。     

垂直起降重复使用运载器返回制导与控制

针对垂直起降可重复使用运载器返回全程非线性、高动态、强扰动、多约束条件下的精确着陆问题，开展适应各飞行段任务特性和需求的返回全程制导控制方法研究。首先分析返回全剖面各飞行段的特点及对制导控制的需求，建立了动力学模型；然后基于经典制导控制方法给出可行的返回全程制导控制方案，并针对其不足分别设计修航段基于剩余时间估计和几何关系目标点自适应更新的双层迭代制导、返回末段多约束自适应制导和返回全程自抗扰控制器，构建了自适应强抗扰新型返回全程制导控制方案；最后进行了数学仿真，通过对比分析经典制导控制方案和新型制导控制方案在小偏差/扰动和大偏差/扰动两种条件下的飞行状态，验证了新型制导控制方案下更高的着陆精度、更强的适应性和抗扰性。     

伸缩套臂式无人机空基回收建模与对接控制

针对无可靠陆基/舰基回收平台情况下小型固定翼无人机（UAV）远程作战空基回收难题，提出一种伸缩套臂抓取式空基回收建模与对接控制方法。首先，受硬式空中加油技术启发，提出一种伸缩套臂式抓取无人机空基回收方法，并采用转动惯量质量投影法及拉格朗日方程法构建伸缩套臂仿射非线性模型；继而，分析了母机尾涡及常值风扰动综合作用下伸缩套臂的气动特性；其次，针对伸缩套臂三通道中扰流关联项和不可测瞬变模型扰动构成的系统集总扰动，分别设计了可在有限时间内收敛的非奇异快速终端滑模干扰观测器对其进行准确估计，并在控制器设计中予以前馈补偿；然后，为实现多重扰流下伸缩套臂快速精准空中对接，提出一种基于干扰观测的非奇异快速终端滑模对接控制方法，并分析了闭环系统稳定性。最后，通过仿真验证表明，所提出的方法能够在多重气流扰动下实现伸缩套臂的快速、精准空中对接控制，同时兼备较好的抗干扰性能。     

飞翼布局无人机反演自抗扰姿态控制

针对飞翼布局无人机模型强非线性、大不确定性及多变量强耦合等问题,设计了基于块控反演控制技术的姿态控制律,并采用自抗扰控制中的线性扩张状态观测器实现了对模型总不确定性的估计。为解决因阻力方向舵舵效非线性以及舵环节指令跟踪延迟造成控制系统动态性能下降的问题,采用函数拟合法解算阻力方向舵舵偏指令,并利用二阶振荡环节对观测器进行抗时滞处理。仿真结果表明,所设计的姿态控制律能够使飞翼布局无人机准确跟踪姿态指令,并具备较强的鲁棒性与良好的动态性能。     

再入飞行器自适应滑模姿态控制系统设计

针对再入飞行器姿态非匹配控制问题,提出了一种新的具有鲁棒性的自适应滑模姿态控制设计方法。首先,基于时标分离原则,将再入飞行器姿态动力学模型分为角度跟踪的慢时变控制子回路和角速度快时变控制子回路。其次,针对两个快、慢控制子回路,将其控制系统模型作为非匹配控制系统,分别设计了自适应滑模控制律,并严格证明了所设计控制系统的稳定性。最后,基于再入飞行器非线性姿态控制系统的数学仿真,在气动数据拉偏情况下,验证了姿态控制方法具有良好的鲁棒性和动态性能。     

VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制

针对模型参数不确定和存在外部干扰的垂直起飞水平着陆（VTHL）可重复使用运载器再入返回姿态跟踪控制问题，提出一种新型预设时间滑模控制方法，使姿态控制误差收敛时间上界与再入初始状态无关且可预先设定。首先基于反正切函数设计预设时间非奇异滑模面，状态量在滑模面可在预设时间内收敛；其次预设时间滑模控制律，引入正弦补偿函数避免控制量出现奇异，以保证滑动模态在预设时间内到达；为提高控制系统鲁棒性并减弱抖振，采用预设时间扩张状态观测器对扰动进行估计和补偿；最后基于Lyapunov理论，证明了控制律可使姿态控制误差在预设时间内收敛；通过数值仿真验证了所提方法的有效性。     

非线性模型预测控制的研究进展

近年来,模型预测控制（Model predictive control,MPC）的理论和技术得到了长足发展,随着线性系统模型预测控制的大量成功应用,基于非线性模型的预测控制简称非线性预测控制（NMPC）引起了广泛关注,并取得了丰富的研究成果。文章基于非线性模型预测控制的基本原理,对目前该领域的热点问题和取得的成果进行了综述,指出了研究不确定系统和时滞系统的非线性模型预测控制对进一步发展预测控制理论和拓宽其应用范围的意义。     

基于龙伯格扰动观测器的永磁同步电机PWM电流预测控制

针对传统永磁同步电机(PMSM)PWM电流预测控制中电机参数扰动造成的电流静差及振荡问题,提出基于龙伯格(Luenberger)观测器的PWM电流预测控制。首先,将系统参数扰动引入到电机电压方程,构建在参数扰动中拥有优良性能的Luenberger观测器来观测系统扰动。其次,离散化Luenberger扰动观测器,通过极点配置分析系统稳定性。最后,将观测器估计系统扰动引入含参数扰动项的电压方程中,为PWM电流预测控制算法提供实时性扰动补偿。仿真结果表明,所提算法能够快速无静差地观测出系统扰动,有效避免参数扰动造成的电流静差及振荡问题,提高电流预测算法的鲁棒性。     

大气层内导弹姿态控制方法研究

本文以大气层内导弹为研究对象,对导弹的姿态控制方法进行研究.根据大气层内导弹运动方程组及空气动力方程等得出导弹的姿态控制系统数学模型.由于导弹的姿态控制数学模型是强耦合、非线性的,因而在控制器设计之前,采用小扰动理论进行线性化处理,得到俯仰、偏航、滚转三个通道的传递函数.针对特征点,采用PD控制方法分别设计三通道的控制律,在此基础上,进一步设计了基于增益调度的PD控制规律.仿真结果表明,提出的姿态控制方法可以实现大气层内导弹的姿态控制,满足指标要求.