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。      

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.     

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.     

基于D3QN的无人机编队控制技术

针对无人机编队中控制器设计需要基于模型信息，以及无人机智能化程度低等问题，采用深度强化学习解决编队控制问题。针对编队控制问题设计对应强化学习要素，并设计基于深度强化学习对偶双重深度Q网络（D3QN）算法的编队控制器，同时提出一种优先选择策略与多层动作库结合的方法，加快算法收敛速度并使僚机最终能够保持到期望距离。通过仿真将设计的控制器与PID控制器、Backstepping控制器对比，验证D3QN控制器的有效性。仿真结果表明：该控制器可应用于无人机编队，提高僚机智能化程度，自主学习保持到期望距离，且控制器设计无需模型精确信息，为无人机编队智能化控制提供了依据与参考。     

基于间隙度量的鲁棒LPV控制律设计

针对高超声速飞行器飞行包线范围广和模型参数不确定性大的问题,提出了基于间隙度量的鲁棒线性变参数(LPV,Linear Parameter-Varying)控制律设计方法.该方法将间隙度量引入LPV控制器设计中,提出了基于最优间隙度量的凸分解策略,并将其应用于多胞顶点的分解和鲁棒LPV控制器的自增益调参,以降低控制器的保守性;考虑模型的参数不确定性求取多胞LPV系统的顶点模型并设计顶点控制器,以提高顶点边界附近LPV控制器的鲁棒性;以某型高超声速飞行器为对象设计了鲁棒LPV控制器.仿真结果表明:该方法能降低大包线内控制器的保守性,实现高超声速飞行器在整个设计包线内精确的指令跟踪,并且在模型参数存在大的不确定性情况下仍保证系统的鲁棒性能和稳定性.     

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。     

应用于控制力矩陀螺电源模块的线性-非线性协同控制器设计

本文对控制力矩陀螺电源的控制器进行研究,基于对线性控制器及非线性控制器的分析,设计了线性-非线性协同控制器并搭建硬件模型,在电源系统动态调整阶段采用非线性控制器,在稳态阶段采用线性控制器。该方案较单一线性控制器提升了电源系统的动态性能,并保证了系统的稳定性及可靠性。对该鲁棒控制器进行了仿真分析并搭建实物,通过实验验证了相较线性控制器,使用协同控制器的电源模块在控制状态切换时,下冲量与调节时间分别减少了45%及58%,证明了该协同控制器能够有效提升CMG电源系统的动态性能。     

基于模糊控制的纳卫星热控系统仿真

建立了球状纳卫星温度系统动态特性方程组,确定系统稳态温度值后搭建温度系统模型;设计合理的模糊逻辑控制器,与温度系统模型部分相结合,完成整个热控系统模型;分别采用±50%的阶跃信号模拟纳卫星温度系统在空间运行时受舱内仪器热源改变和外壳、辐射器所接受的太阳辐射加热量改变的影响,执行热控系统仿真,绘制仿真曲线与不加控制前的结果相比较.仿真结果表明,将模糊控制系统运用于纳卫星热控系统中能够准确、快速地对其系统温度进行合理控制,具有鲁棒性好、对参数变换不敏感、适应性强以及过渡过程时间短等优点.      

微重力环境中的气体质量流量控制器研究

提出了一种高可靠气体质量流量控制器设计. 介绍了该流量控制器的原理和结构. 通过比较不同的气体流量传感器和阀门, 选择了可满足空间科学实验设备可靠性要求的MEMS传感器和针阀. MEMS质量流量计的输出电压(代表实际气体流量), 经过减法电路放大和A/D采样之后, 与设定电压(代表设定的气流流量)进行比较, 差值信号输入给PID控制器, 由其输出步进电机的控制脉冲数和方向, 步进电机驱动器驱动电机调节流过针阀的气体流量, 使之与设定流量相等. 给出了利用该气体质量流量控制器控制氧气流量的实验结果. 该系统可实现流量的灵活调节, 并具备空间科学实验设备所要求的性能, 为未来在空间利用气体流量连续可调的质量流量控制计进行燃烧科学实验奠定了基础.      

预估Fuzzy-PID在中央空调控制系统中的应用

电加热常作为中央空调的末端设备置于被调节房间风道入口处,微调加热以提高温度控制精度,为此提出一种电加热温度控制方法,采用预估Fuzzy-PID复合控制算法,通过对加热功率的调节进行闭环控制,实现控制点温度的稳定控制.新的控制算法结合了smith预估控制、Fuzzy和PID控制器的优点.在MATLAB环境中仿真预估Fuzzy-PID控制中央空调末端电加热,结果表明该控制方法能提高温度稳定性并降低能耗,控制精度达到±0.1℃.该控制方法同样适用于其它含有电加热元件的场合.      

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．     

高精度交流伺服系统的模糊PID双模控制

交流位置伺服系统因其存在参数时变、负载扰动以及电机的非线性等缺点 ,很难为其建立准确的模型.模糊(fuzzy)控制具有无需建立被控对象的数学模型、鲁棒 性好等优点,但稳态精度差.将模糊控制和PID控制相结合,设计了Fuzzy-PID双模控制器. 在论域内用不同的控制方式分段实现控制,这样就综合了模糊控制和PID控制的优点,克服 了各自的缺点.该控制器结构简单、易于实现.在半闭环交流位置伺服系统上所做的实验表 明,采用Fuzzy-PID双模控制器与采用经典PID控制器相比,阶跃响应的调整时间减少了33.7% ,并且无超调,轨迹跟踪误差减小了47.2%.      

神经网络在飞翼布局飞机主动涡流控制中的应用

以小展弦比飞翼布局飞机为研究对象,其本体的优化增稳控制器由3个气动舵面(连续控制面)构成.为增加操纵能力,基于神经网络设计了主动涡流(bang-bang型控制面)优化控制器.为加快网络的训练速度和收敛精度,采用三层反馈神经网络,通过改变每层网络权重和隐层神经元单元个数对网络进行优化.最后给出了增加主动涡流控制器的飞机闭环系统的响应结果.与仅采用气动舵面闭环响应结果的对比仿真表明,增加主动涡流控制器后闭环系统可获得更好的响应特性,系统达到稳态的时间和所需气动舵面的控制量均明显减小.      

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.     

VGT空间机械臂地面悬吊系统二自由度控制

为了在地表环境下对多节双八面体变几何桁架空间机械臂进行空间环境模拟研究,需要把机械臂悬吊起来进行重力补偿.根据机械臂的正向运动学和张力吊挂原理,设计了悬吊系统二自由度控制器.该控制器其中一个自由度由机械臂的正向运动学得出前馈控制信号,另一个自由度根据张力的偏移信号,采用PI控制得出反馈控制信号,结合两个自由度的信号对吊索长度进行收放控制,从而使吊索保持恒定张力.实验表明,该控制器能快速、稳定、可靠地控制机械臂吊索张力,既能补偿前馈控制无法消除的结构误差,又能解决反馈控制响应过慢的问题,控制性能远远优于单自由度控制     

应用Lyapunov方法分析自旋导弹动态逆控制器鲁棒性

针对自旋导弹的强非线性特性,设计了二时间尺度分离非线性动态逆控制器.给出了带有气动系数不确定性的控制系统状态空间表达式,利用Lyapunov方法分析了控制器的鲁棒稳定性,并结合舵机性能限幅给出了使系统稳定的内回路时间常数完整边界.通过仿真给出了保证控制系统稳定的气动系数拉偏边界.结果表明:当气动系数向使弹体系统静稳定方向拉偏时,内回路时间常数可取范围较大,反之可取范围逐渐减小直至无法使系统稳定;当内、外回路时间常数比例增加时,控制器对气动系数不确定性的敏感度增加.与三回路控制器相比,动态逆控制器鲁棒性较差,但响应的稳定性较好.     

推理合成法在炉温模糊控制系统中的应用

根据电阻炉温控制的特点,即只有升温单向控制、滞后较大且具有参数时变性,利用模糊推理合成法建立模糊模型并进行模糊控制器设计,为提高模糊控制的精度,引入模糊变量K,构成参数自调整模糊控制系统.该系统可根据误差和误差变化在线自动调整控制器参数,使系统的稳态精度得到改善.