基于新型滑模控制方法的再入飞行器姿态控制律设计

设计了一种新型滑模控制方法,该方法不但能对已有的控制律进行鲁棒性改进,而且能有效抑制抖振现象。在该方法的设计过程中,首先基于已有的控制律和标称系统,设计了一种新型的动态滑模面,然后对超扭曲算法进行改进,得出了一种快速、连续且有限时间收敛的算法,并首次将其作为新型趋近律,该趋近律与滑模面相结合能够大大增强现有控制律的鲁棒性,而且滑模的切换律是连续的,因此大大降低了系统的抖振。将以上方法应用于再入飞行器的姿态跟踪控制中,有效增强了已有控制律的鲁棒性,实现了大干扰情况下对姿态系统的稳定控制。通过仿真,验证了该方法在提高系统鲁棒性和降低抖振方面的有效性。     

基于新型趋近律的积分模糊滑模控制及其在PMSM控制中的应用

研究了基于新型趋近律的积分模糊滑模控制方法,并以永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统为背景进行了应用研究.设计了基于新型趋近律的积分模糊滑模速度环控制器,有效地抑制了传统滑模变结构控制中的固有抖振问题.在滑模面的设计中引入误差信号的积分项,避免控制量中对加速度信号的要求,增强系统的抗干扰能力;引入了模糊控制,可以抑制滑模控制抖振.并提出一种新型趋近律,进一步对滑模抖振进行抑制,提高了滑模面的趋近速度.仿真表明,该方法能够实现精确的速度控制,与传统的滑模控制相比,该控制器具有更好的跟踪性能.     

电液伺服系统的间接自适应模糊滑模跟踪控制

为改善电液伺服系统的跟踪控制,根据滑模控制原理和模糊系统逼近能力,设计了一间接自适应模糊滑模跟踪控制方案。该法以自适应模糊系统替代系统自治特性,用滑模方式设计控制律,在滑动模态附近建立一边界层,以平滑不连续控制削弱抖振。仿真结果表明该方案有效。     

指数型快速终端滑模变结构控制

针对一类高阶非线性系统,基于指数型快速终端滑模的良好特性,提出了一种新的滑模变结构控制,给出了控制律.系统状态变量能以较快的速度在有限时间内到达各级滑模面,并最终使系统状态收敛至平衡点.仿真结果表明:该滑模变结构控制方法有效可行.     

利用姿态机动的绳系卫星编队系统轨道协同控制

为克服绳系卫星编队系统在轨道机动过程中的系绳摆动现象，提出一种通过调整领航星推力方向进而实现编队系统轨道跟踪的控制算法。由于推力方向角与状态量互相耦合且少于系统自由度个数，轨道协同控制属于典型的非仿射欠驱动控制问题。针对此问题，首先采用升阶法将角速度作为虚拟控制输入；然后为各子系统设计子滑模面后加权得到高层滑模面和等效控制输入律，并设计观测器估计系统非线性项；其次基于模型预测控制算法优化得到最高层滑模面的趋近控制律；最后采用MATLAB/Simulink验证了所提控制算法的有效性。     

永磁同步电动舵机系统滑模变结构控制器设计

针对电动舵机系统,建立表贴式永磁同步电机(SPMSM)矢量控制模型。设计基于指数趋近律的滑模变结构控制器,并在此基础上进行抖振抑制。利用变指数趋近律滑模控制器与比例-积分-微分(PID)控制器相结合,设计组合控制器,既可最大程度地发挥滑模变结构控制的快速性与鲁棒性,又可利用PID控制的优势减小系统最后的抖振。最后,通过与基于指数趋近律的滑模控制器进行仿真对比,验证组合控制器对电动舵机系统抖振的抑制效果。仿真结果表明:设计的组合控制器将系统静差减小了85%,并基本消除了滑模末端的抖振。     

基于二阶动态Terminal滑模的近空间飞行器控制

针对近空间飞行器飞行速度极高,气动参数变化剧烈,外界扰动大,控制精度要求高 等特点,设计了基于二阶动态Terminal滑模的控制方案。Terminal滑模能在有限时间内收敛 的特性加快了系统跟踪速度;二阶动态滑模的引入,使得滑模面及其部分阶导数为零,并且 得到在时间本质上连续的控制器,有效克服了传统滑模的抖振问题。最后,仿真结果表明了 二阶动态滑模去除抖振的优越性和整体控制方案的有效性。
     

挠性航天器在轨分离冲击缓冲模糊滑模控制研究

为降低在轨分离冲击载荷对挠性航天器的影响,进行了基于磁流变阻尼缓冲器( Magneto-rheological)的减振研究,将磁流变阻尼缓冲器应用于航天器冲击减振。基于有限元和Lagrange方法,建立了发生大范围运动的挠性航天器状态模型,采用趋近律滑模控制算法控制阻尼器输出,并提出一种二维模糊控制方法控制趋近系数来提高系统的动态品质,同时抑制趋近律中切换项导致的抖振现象。数值计算表明,采用此方法控制的磁流变阻尼缓冲装置显著降低了冲击载荷对基座的影响,并有效抑制了抖振现象,减弱了基座与挠性附件之间的运动耦合,使挠性附件的速度、加速度变化更为平稳。此控制方法较传统滑模控制能更好地跟踪输出值,且有较好的稳态输出值。     

导弹电液伺服机构的变论域自适应模糊滑模控制

为减弱导弹电液伺服机构位置跟踪滑模控制(SMC)的抖振,提出了一种基于变论域自适应模糊滑模控制(AFSMC)方法。通过在线调节输入变量论域和规则后件隶属度函数,可在不影响滑模变结构控制鲁棒性的情况下有效削弱滑模切换控制产生的抖振。给出了相应的控制律。设计的控制系统具有良好的跟踪性能,提高了电液伺服机构的跟踪控制精度。仿真实验结果验证了该控制方案的有效性。     

带随机时延的网络控制系统鲁棒滑模观测器

针对一类具有未知外界干扰的网络控制系统,通过对误差动态系统进行线性变换,将网络时延对观测误差系统的影响转化为满足匹配条件的有界不确定项,根据滑模控制理论,在原闭环系统的反馈回路,提出一种鲁棒滑模观测器的设计方法。基于Lyapunov理论,证明观测误差系统对时延引起的不确定项和外部干扰均具有鲁棒性,并证明所设计的观测器可以保证误差系统渐进收敛到所构造的滑模面,且滑模面误差变量渐进收敛到平衡点。通过对控制律的改进,降低系统抖振。同时将观测器的参数设计问题转化为线性矩阵不等式问题,给出观测器系统参数矩阵的设计方法,并进一步给出优化的求解过程,从而避免过大的观测器输入。通过对一种柔性关节机器臂的网络化系统仿真,验证所提方法的有效性。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

欠驱动航天器编队重构的切换神经网络控制

针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利用径向基神经网络(RBFNNs)近似动力学系统中的不确定项,自适应滑模控制器在活跃区域外工作,利用自适应律来估计近似误差上界,并采用李雅普诺夫方法证明了闭环系统稳定性。数值仿真结果表明切换神经网络控制器可在欠驱动条件下实现编队重构,与线性滑模控制器相比,实现了控制器快速、高精度、强鲁棒等控制性能。     

空间绳系编队的动力学及稳定展开控制研究

以三角构型的空间绳系编队系统为对象开展了动力学特性分析和稳定展开控制研究。首先，针对以往编队动力学建模的精度问题，采用Lagrange法建立了系统动力学模型，建模时充分考虑了系绳的弹性，可在不增加计算量的同时保留系统的弹性特性。其次，根据所建立的动力学模型，定量分析了编队自旋稳定时自转角速度的范围，为之后的稳定展开控制提供理论依据。由于受制于执行机构精度和控制输入的限制，空间绳系编队系统是一个典型的欠驱动系统，采用分层滑模实现编队的稳定展开控制，仿真结果验证了该控制方法的有效性。     

一种新型滑模控制算法在挠性多体卫星姿态控制中的应用

针对一类挠性多体卫星的复合控制问题，提出一种新型滑模变结构控制算法。新型算法利用闭环系统Lyapunov函数的一阶导数估计值设计控制器，且控制器采用了递归学习控制结构，能够有效解决传统滑模控制技术的颤振问题。随后根据Lyapunov稳定性理论证明闭环系统轨迹可以快速收敛到滑模面，并且系统状态误差可在滑模面上渐近收敛到零。此外，设计的控制器能够有效抑制外部干扰，而且控制器只需要控制输入矩阵信息而不需受控系统和未知参数的其他先验信息，使得算法具有较强鲁棒性。最后通过数值仿真与现有文献中控制算法进行对比，结果充分验证了本文设计控制算法的有效性和实用性。     

攻击固定目标的飞行器制导控制一体化设计

对于攻击地面固定目标的飞行器,提出一种非线性制导律和控制方法。制导和控制一体化的设计方法充分考虑了制导和控制回路的不确定性和未建模动态。对于系统的非匹配不确定的特点,设计了特殊的终端滑模切换面和相应的控制策略,使得系统在有限时间内收敛到终端滑模面。分析表明滑模控制器保证了闭环系统的稳定性。数学仿真验证了此方法的有效性。     

航天器新型非奇异饱和终端滑模姿态控制

针对刚体航天器姿态机动过程中存在的控制饱和与外部干扰问题,提出一类基于新型非奇异饱和终端滑模面的有限时间控制器设计方法。该控制方案不仅保证姿态机动过程的快速性,而且避免了传统的终端滑模面所带来的奇异性问题。此外,本文建议的控制器不仅显式考虑执行器输出力矩的饱和幅值要求,使航天器在饱和幅值的约束下完成姿态控制任务,而且控制器的设计对外部干扰的上界没有任何要求,也无需作任何小角度的假设。进一步的稳定性分析表明,通过引入新型非奇异饱和终端滑模,该控制器使得闭环系统能够快速收敛到滑模面的微小邻域内,继而收敛到平衡点的微小邻域内,并且系统对外部干扰具有较强的鲁棒性。数值仿真校验了该控制器在姿态机动过程中的性能。     

Fractional order tension control for stable and fast tethered satellite retrieval

The retrieval of a tethered satellite system is intrinsically unstable. This paper develops a new control strategy to retrieve the tethered satellite system stably and quickly using the fractional order control theory. The governing equation of the tethered satellite system and classic linear feedback tension control law were first reviewed and examined as a benchmark. Then, a new fractional order tension control law has been to avoid the tethered satellite winds around the main satellite near the end of retrieval by existing integer order tension control laws. The newly proposed control law has been discretized and implemented by the Laplace transform and Tustin operator. Unlike the existing integer order control laws, which are based on the feedback of current state and memoryless, the fractional order control law has the memory of previous states and thus controls the tether retrieval more smoothly while maintaining the retrieving speed. The effectiveness and advantage of the new fractional order tension control law is demonstrated numerically by comparing with its integer order counterpart. The results show that the new control law not only retrieves the subsatellite without winding around the main satellite, but also provides a better control performance with smaller in-plane libration angles.     

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。     

基于二阶滑模控制的驾束制导导弹一体化制导系统设计

针对驾束制导导弹,运用超扭曲二阶滑模控制理论,提出了一种一体化制导控制算法。通过充分考虑目标不确定因素以及控制回路未建模状态,建立了一体化制导控制回路的四阶状态方程。运用该状态方程的转移矩阵,重新定义了零能脱靶量(ZEM),使其不再需要估计剩余时间,并将此作为滑模切换面,设计了一体化超扭曲二阶滑模制导律。通过对目标的拦截仿真,结果表明制导线偏差可在有限时间内收敛到零,从而验证了选择新定义的ZEM作为制导律的滑模切换面是有效的。数字仿真结果也表明了该一体化设计方法明显优于不考虑控制回路的传统制导律设计方法。