最小方差关连控制设计

本文讨论了最小方差关连控制设计问题,在随机干扰作用下系统需设计为最小方差,以抑制干扰和跟踪输入信号,本文将最小方差应用于关连设计,将各子系统之间的关连看成是可变的,且将各子系统的关连看成是回路反馈,以最小方差进行反馈设计,这里出现的新问题是反馈通过了多个控制器闭合,需同时使各子系统皆运行在最小方差状况下。文中以具有二子系统和二控制器的关连反馈为例、得到了最小方差关连控制的实观条件。文中给出了例题以示该方法的应用。这一方法对强关连系统提出了新的设计思想:一种将关连考虑在内的综合设计思想。     

二维系统一般模型的正实控制

本文研究的是二维系统一般模型的正实控制。本文的目的是针对该模型,设计一个状态反馈控制器,使得闭环系统是稳定的并且闭环传递函数是延展严格正实的,所得到的解是通过线性矩阵不等式给出,通过解决该线性矩阵不等式可获得期待的状态反馈控制器。最后,我们提供了一个数值算例来验证提到方法的有效性。     

基于间接Radau伪谱法的滑翔段轨迹跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段制导问题,提出一种利用间接Radau伪谱法求解最优反馈控制律的全状态标称轨迹跟踪制导律。将标称轨迹跟踪问题转化为线性时变系统状态调节器问题,基于Pontryagin极大值原理进一步将状态调节器问题转化为线性两点边值问题;利用间接Radau伪谱法求解所得的线性两点边值问题,获得最优反馈控制律,并在此基础上设计了易于在线执行的闭环轨迹跟踪制导律。数值仿真结果表明,该制导律对飞行器初始状态量的较大范围偏差和飞行环境参数的有限扰动不敏感,具有良好的鲁棒性,并且能够满足实时性的需求。     

基于最优控制/自抗扰控制的直/气复合控制系统设计研究

为提升控制系统的性能,对直/气复合控制导弹的控制系统设计进行了研究。以俯仰通道为例,用最优控制理论设计了基于状态反馈的导弹俯仰通道控制回路,用线性二次型调节器(LQR)获得控制律。给出了加权矩阵的选取方法:依次调整表征过载偏差、角加速度和角速度的权重,使求出的反馈增益系数满足要求。针对状态反馈控制律无法快速抑制直接力开启带来的干扰问题,用自抗扰控制(ADRC)理论改进了控制器,通过构建状态观测器在线实时估计外界干扰并予以补偿,快速抑制扰动。仿真结果表明:用最优控制/自抗扰控制设计的控制器跟踪速度快,动态过程平稳并具有较强的干扰抑制能力,提高了系统的鲁棒性。     

High order optimal feedback control of space trajectories with bounded control

Optimal feedback control is classically based on linear approximations, whose accuracy drops off rapidly in highly nonlinear dynamics. Several nonlinear optimal feedback control strategies have appeared in recent years. Among them, differential algebraic techniques have been used to tackle nonlinearities by expanding the solution of the optimal control problem about a reference trajectory and reducing the computation of optimal feedback control laws to the evaluation of high order polynomials. However, the resulting high order method could not handle control saturation constraints, which remain a critical facet of nonlinear optimal feedback control. This work introduces the management of saturating actuators in the differential algebraic method. More specifically, the constraints are included in the optimal control problem formulation and differential algebra is used to expand the associated optimal bang–bang solution with respect to the initial and terminal conditions. Optimal feedback control laws for thrust direction and switching times are again computed by evaluating the resulting polynomials. Illustrative applications are presented in the frame of the optimal low-thrust transfer to asteroid 1996 FG₃.     

卫星编队飞行姿态协同输出反馈控制

研究了双星编队飞行系统的姿态协同控制问题。首先考虑在角速度不可测情况下,给出一种分布式姿态协同输出反馈控制方案,并通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全
局渐近稳定性。然后在控制输入饱和时给出了另一种输出反馈控制方案。通过在控制方案中引入双曲正切饱和函数,得出只需控制参数的选取满足某一限制条件,就能有效地抑制控制力矩的饱和。最后对给出的算法进行了数学仿真。结果表明,所设计的控制算法是可行的、有效的。     

电磁卫星编队位置跟踪滑模变结构控制

电磁卫星编队位置跟踪是存在输入延时和扰动不确定的控制问题,以卫星相对运动CW方程作为动力学模型,采用前馈加反馈的方式控制编队运动跟踪预定轨迹,前馈控制量由预定轨迹结合CW方程给出,反馈控制采用状态线性变换后的滑模变结构控制律.证明了滑模切换面可达以及滑模面上的运动与不确定扰动无关.数值仿真表明考虑时滞的控制相比未考虑时滞的控制,位置跟踪精度有所提高.     

微重力环境模拟作业训练机器人碰撞力反馈控制

针对航天员在地球表面进行微重力环境中操作训练时微重力环境模拟作业训练机器人存在的碰撞力反馈控制问题,建立碰撞力反馈模型、提出单个柔索驱动单元控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略。利用Matlab/Simulink软件对碰撞力反馈模型和控制策略进行仿真验证,该模型和控制策略可以实现机器人碰撞力反馈,且具有计算量小、实时性好、不需要额外增加传感器等优势;结合提出的柔索驱动单元复合控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略进行机器人碰撞力反馈控制实验,提高机器人控制的准确性和实时性。结果表明,基于干扰观测器的柔索驱动单元复合控制策略将柔索驱动单元主动控制精度提升11%,被动控制多余力消除率达到81.82%;机器人碰撞力反馈控制策略可以有效提升航天员作业训练时碰撞力临场感体验。     

轨道机动的时间-能量综合最优控制

围绕航天器快速精确轨道机动问题,探讨在持续小推力作用下,航天器轨道机动中时 间和能量综合最优控制的技术和方法。基于Pontryagin最小(大)值原理,针对目标轨道为平 面和空间椭圆的情况,推导了时间-能量综合最优控制的Hamilton正则方程组、终端条件 、横截条件和最优控制的表达式,应用数值方法求解正则微分方程组的两点边值问题,得到 了最优控制的数值解,包括最小时间、最小能量、最优轨道、最优控制时变曲线和最优反馈 控制曲线等,实现轨道机动最优控制的精确数值模拟。从数值结果的对比分析中得出了一些 有意义的结论,可供工程实际参考。
     

基于奇异摄动与反馈线性化的滑翔制导律

针对高超声速再入飞行器最远距离滑翔制导关键技术,设计了一种新型制导律.首先,利用奇异摄动理论对再入飞行器状态变量进行两个时间尺度的划分,将系统状态方程分解成两个低维子系统.然后,应用最优控制理论得出慢时间尺度上的解,并将其作为降维后的最优参考轨迹;在此基础上,利用非线性微分几何反馈线性化方法,设计快时间尺度制导指令,实...     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

控制受限柔性航天器姿态机动内闭环成形控制

针对柔性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将反馈控制与内闭环信号成形相结合的控制方法。将成形器作用于系统内闭环回路中,通过人为引入控制延时达到抑制振动的目的,避免敏感器扰动、执行机构饱和等非线性影响控制器振动抑制效果。全物理实验结果表明,在反作用飞轮存在控制力矩饱和的情况下,该方法不仅使航天器快速地、平稳地完成高精度姿态机动,而且显著地减少了柔性结构的弹性振动,具有算法简单、易于在轨实时计算的优点。
     

压紧杆式太阳翼自动化加载设备设计与验证

基于对国内外太阳翼压紧释放机构预紧实施的现状及存在问题的研究,开展设备小型化、轻量化、可视化设计,研制了一种电机驱动拉伸压紧杆的力反馈型自动化加载设备。该设备采用特制的夹紧接口,并利用凸轮原理解决了狭小空间内压紧杆的的夹紧难题;采用拉力传感器和力反馈系统等将太阳翼压紧杆预紧力施加精度控制在5%以内,有效地解决了预紧力加载的精度问题和自动预紧问题。为验证设备性能,开展了预紧力误差分析,设计了一套采用电阻应变片实时测量预紧力的方案,得出设备工作时预紧力的变化情况。试验结果表明,自动化加载设备不受人员技能水平的影响,绝对精度最大值为3.11%,单次加载时间小于1 min。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

空间飞行器动力学模型的动态反馈线性化

本文研究了空间飞行器非线性动力学模型的线性化问题，利用微分几何方法和反馈线性化理论，本文证明了推力方向相对体系不变，即受有“常方向推力”作用限制的空间飞行器的轨道－姿态耦合非线性动力学模型可用二阶动态补偿器／增广状态反馈／增广状态微分同胚变换实现精确线性化，提出了飞行器动态反馈线性化的分步算法，并给出了实现线性化的状态反馈／微分同胚的具体形式，从而将飞行器控制系统设计问题转化为线性系统问题。     

基于迭代LMI的航天器的姿态静态输出反馈

研究了挠性航天器的姿态控制器设计问题。结合Lyapunov矩阵成形的不变椭圆,使用多目标综合技术集成干扰抑制,鲁棒稳定和控制输入约束问题。基于迭代的线性矩阵不等式(ILMI)给出了静态输出反馈控制器。仿真结果表明,该方法虽然具有一定的保守性,但可以较好的满足系统的鲁棒性能要求,对工程实现具有一定的参考价值。     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

空间飞行器快速高精度姿态控制技术研究

针对空间飞行器在某些情况下对姿态偏差及姿态稳定度的严格要求 ,采用了超前网络校正和开关反馈控制的复合控制方法 ,同时从工程应用角度出发 ,对开关反馈的信号进行了调整 ,仿真结果表明这种复合控制在一定程度上解决了采用单一控制方式时控制精度与响应速度之间的矛盾。     

直接力与气动力复合控制系统姿态稳定问题研究

大气层内直接力与气动力复合控制导弹具有响应快速、可用过载大等优点，可以拦截高速、高机动性目标。研究制导末端轨控直接力与气动力复合系统姿态稳定问题。首先分析了复合系统的特点和控制问题，建立了控制模型。然后应用扩张状态观测器观测对象模型内扰和外扰的实时作用量，进行反馈补偿，实现了动态线性化。最后设计了非平滑反馈控制律，从而实现了复合系统的姿态控制设计。仿真结果表明，系统具有良好的动态性能和稳态性能，控制器具有很强的鲁棒性。