双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理

在角接触球轴承动力学分析基础上,建立了公-自转耦合的控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组和摩擦力矩理论计算式,开展了轴承保持架结构、滚道加工精度和轴承预紧力等参数对控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性的影响研究,分析了某型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动的机理。分析结果表明：保持架外径表面与套圈引导挡边之间碰摩以及钢球与保持架兜孔间碰摩是引起该型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常变化的主要因素。合理的轴承原始径向游隙可有效消除轴承保持架外径表面与套圈引导挡边之间的碰摩现象,且避免控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩明显异常波动。     

基于改进的CMAC的电动加载系统复合控制

 由于电动加载系统的非线性和时变性,特别是在运动干扰下传统的前馈控制方法很难得到满意的控制效果。针对电动加载系统的非线性及多余力矩强扰动的特点,依据神经网络的非线性逼近和自学习特性,提出了基于改进小脑模型关联控制器(CMAC)的复合控制策略,结合改进的CMAC与PID实现复合控制,由CMAC实现前馈控制,PID控制实现反馈控制,既保证了快速实时,又进一步减小了多余力矩干扰。改进的CMAC利用存储单元的先前学习次数作为可信度,消除了常规前馈型CMAC的过学习现象。文中建立了电动加载系统的数学模型,给出了具体的控制结构和算法。系统的动态仿真表明,该方法可有效地抑制多余力矩,改善电动加载系统的动态加载性能,有很强的鲁棒性。     

转台控制器中滞-滑极限环的分析与补偿

本文针对库仑摩擦引起的滞一滑现象对转台控制器的影响，在综合考虑转台控制器中各种摩擦的情况下，深入分析了滞滑极限环产生的原因以及对高精度转台控制器的损害，在考虑转台摩擦的情况下，通过对PD控制下力矩平衡点集的推导，在使用Karnopp摩擦模型的转台PID控制器中，对引起转台滞滑现象的摩擦力矩进行非线性反馈力矩补偿，仿真结果显示此种补偿方法效果良好。     

空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

基于系统辨识的框架控制系统设计

为提高框架系统控制性能,采用系统扫频方法对系统实际模型进行扫频辨识。由于加工和安装工艺等原因,框架不同位置处的摩擦力矩差异较大。研究了固定补偿值摩擦力矩补偿算法和变补偿值积分摩擦力矩补偿算法,并重新进行了扫频。根据辨识得到的模型设计了校正网络,提高了系统控制性能。     

基于积分鲁棒的电液负载模拟器渐近跟踪控制

电液负载模拟器(EHLS)是典型的电液力矩伺服系统,存在大量非线性特性和模型不确定性(特别是非线性摩擦),随着对电液力矩伺服系统跟踪性能的要求越来越高,传统线性控制策略很难满足加载系统的高性能需求,迫切需要设计先进的非线性控制策略。针对以上问题,建立了包含连续可微摩擦模型的系统非线性数学模型,基于Lyapunov理论设计了一种误差符号积分鲁棒控制方法。该方法能够克服模型不确定性对系统的影响,在舵机运动干扰作用下实现了系统的渐近稳定性能。实验对比结果验证了该控制方法的优良性能。     

干扰和执行器故障系统的自适应神经网络控制

针对一类存在未知外部扰动和执行器故障的过驱飞行器系统的控制问题,提出了一种非线性自适应控制方案。在自适应控制方案中,设计了神经网络补偿算法逼近未知干扰项来消除环境干扰对系统的影响,提高了系统的鲁棒性。同时,控制律的输出作为控制分配器的输入,设计自适应控制分配算法来补偿执行器故障或输入饱和,从而提高了系统的稳定性和操作性,并利用李亚普诺夫稳定理论证明了所设计的控制系统能使误差系统最终一致渐近有界。最后,给出了一个数值仿真算例,验证了控制方法的有效性。     

基于扩展状态观测器的电动负载模拟器反演滑模控制

针对电动负载模拟器中存在的强位置扰动、摩擦、间隙非线性以及参数时变等不确定干扰,提出了一种基于扩展状态观测器的反演滑模控制策略。基于反演设计的思想,将电动负载模拟器分解为负载力矩子系统和永磁同步电机驱动子系统。对负载力矩子系统,利用带有滤波器的扩展状态观测器,消除量测噪声对系统的影响,同时估计出系统中存在的干扰,而后采用比例趋近滑模控制律,得出负载力矩子系统所对应的虚拟控制量;对永磁同步电机驱动子系统,利用常规扩展状态观测器估计出子系统中的复合扰动,采用非奇异终端滑模控制律,消除观测误差以及干扰对系统的影响,并得出系统所需的最终控制量。最后,利用李雅普诺夫方法证明了电动负载模拟器的稳定性,并通过实验验证了所提方法的有效性。     

高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用

高阶微分反馈控制是不依赖系统精确模型的控制策略,采用控制滤波器间接补偿系统的未知模型。但其中的高阶微分器没有用来估计系统的未知模型函数,采用的是间接补偿未知模型函数方案。改进了高阶微分器,将控制输入引入其中,既能实时估计非线性模型中的未知函数,也能估计系统输出及参考输入的微分信息。对比分析了改进的高阶微分器和扩张状态观测器所估计的未知函数的收敛性,证明前者的型别比后者高一个类型。应用估计的微分和模型函数设计了新的高阶微分反馈控制算法,该方案能够抑制未知扰动,并成功地应用于四旋翼飞行器(QUAV)姿态系统的控制。应用Lyapunov函数从理论上证明了闭环系统的稳定性。在基于Pixhawk的控制测试平台实验中,分别采用改进的高阶微分反馈控制、PID控制、自抗扰控制和传统的高阶微分反馈控制方案,测试四旋翼飞行器对不同参考姿态的跟踪性能和抗扰性能。结果表明,所提出的改进高阶微分反馈控制方案,在暂态性能,稳态跟踪精度和抗干扰鲁棒性方面,大幅度优越于其他方案。     

加速度计组合件高精度两级鲁棒温度控制

 将存在多个工作环境的加速度计组合件两级温度控制系统的受控对象描述为存在有界干扰和非线性不确定性(包括系统的建模误差和两个控制通道间的相互耦合)的两输入两输出非线性时变不确定系统,提出了一种基于信号补偿的鲁棒温度控制方法。该方法设计的控制器由标称控制器和鲁棒补偿器组成。此控制器为线性定常的,易于物理实现。证明了闭环系统的鲁棒控制特性,实验结果显示所设计的控制系统能够在多个工作环境下实现加速度计组合件内部和外部的高精度鲁棒温度控制。     

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。     

基于瞬时无功功率理论和模糊PID控制的三相不平衡补偿算法

为满足三相不平衡飞机电网的无功功率实时补偿要求,设计了一种新型的静止无功补偿器（SVC）控制系统。该系统采用瞬时无功功率理论来精确检测基波正序和负序电压、电流,并推导出补偿导纳的表达式;SVC的整体控制采用了开环和闭环控制相结合的控制算法,并在闭环控制算法中,提出了自适应非线性模糊控制器在无功补偿控制系统中的应用方案。该方案结合了模糊控制和PID控制2种方法的优点,根据系统状况改变PID控制器的参数,以达到更好的动态控制效果。仿真研究结果表明,该新型SVC控制系统对于提高功率因数和补偿三相不平衡,具有响应快、精度高的控制效果。     

飞行模拟转台高精度数字重复控制器的设计

从工程的角度讨论了离散重复控制系统的设计,所提出的重复控制方法可保证速度跟踪误差快速收敛为零。在重复控制器中采用了高阶低通滤波器和动态补偿器,改善了跟踪精度,保证了系统的稳定性,减少了周期性扰动误差。将所提出的方法应用于飞行模拟转台伺服系统的速度控制中,仿真结果表明,针对周期指令信号和周期干扰信号可保证较高的跟踪精度和较强的稳定性和鲁棒性。     

高精度液压仿真转台鲁棒控制

 针对液压仿真转台具有时变不确定性、复杂外干扰等特点和高精度控制性能要求,提出了一种鲁棒复合控制结构,该结构由鲁棒内回路补偿器、外回路反馈控制器和输入信号前馈补偿器三部分组成。其中,鲁棒内回路补偿器用来抑制外干扰和时变不确定性的影响,外回路反馈控制器的作用是保证闭环系统的整体性能,输入信号前馈补偿器实现对系统动态时滞的补偿,以保证对参考信号的精确跟踪。以某型液压仿真转台内环为例,首先根据所提出控制策略的基本思想,给出了控制系统的具体设计过程,然后,进行了阶跃响应、低速跟踪和正弦响应试验。试验结果表明,所提出的鲁棒控制策略是有效的和可行的。     

Application in prestiction friction compensation for angular velocity loop of inertially stabilized platforms

To overcome the influence of the nonlinear friction on the gimbaled servo-system of an inertial stabilized platforms(ISPs) with DC motor direct-drive, the methods of modeling and compensation of the nonlinear friction are proposed. Firstly, the inapplicability of LuGre model when trying to interpret the backward angular displacement in the prestiction regime is observed experimentally and the reason is deduced theoretically. Then, based on the dynamic model of direct-drive ISPs, a modified LuGre model is proposed to describe the characteristic of the friction in the prestiction regime. Furthermore, the state switch condition of the three friction regimes including presliding, gross sliding and prestiction is presented. Finally, a composite compensation controller including a nonlinear friction observer and a feedforward compensator based on the novel LuGre model is designed to restrain the nonlinear friction and to improve the control precision. Experimental results indicate that compared with those of the conventional proportion–integration–differentiation(PID) control method and the PID plus LuGre model-based friction compensation method, the dwell-time has decreased from 0.2 s to almost 0 s, the position error decreased to 86.7%and the peak-to-peak value of position error decreased to 80% after the novel compensation controller is added. It concludes that the composite compensation controller can greatly improve the control precision of the dynamic sealed ISPs.     

基于在线滚动LS-SVR的涡轴发动机混合预测控制

提出了一种串级PID+非线性模型预测控制(NMPC)的混合控制方案,用于涡轴发动机控制系统中。其中:主控制回路采用串级PID控制器以消除静差保证系统稳定;带约束优化的预测控制器则用于实时燃油补偿,以增强发动机系统对直升机功率需求的快速跟随能力。该预测控制器是基于在线预测模型实现,首先在VC环境下设计在线滚动最小二乘支持向量回归机(OSLS-SVR),在线训练高精度、实时性好的内嵌式预测模型,其测试精度可达3‰;而后利用该模型与序列二次规划(SQP)算法完成滚动优化,建立预测控制器;最后,在UH-60A直升机/T700涡轴发动机综合模型仿真环境下,通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了该混合预测控制方案对大扰动具有较强的抑制能力及鲁棒性,从而使直升机获得更好的机动性能。     

A New Hybrid Control Scheme for an Integrated Helicopter and Engine System

A new hybrid control scheme is presented with a robust multiple model fusion control(RMMFC) law for a UH-60 helicopter and an active disturbance rejection control(ADRC) controller for its engines.This scheme is a control design method with every subsystem designed separately but fully considering the couplings between them.With three subspaces with respect to forward flight velocity,a RMMFC is proposed to devise a four-loop reference signal tracing control for the helicopter,which escapes the closed-loop system from unstable state due to the extreme complexity of this integrated nonlinear system.The engines are controlled by the proposed ADRC decoupling controller,which fully takes advantage of a good compensation ability for unmodeled dynamics and extra disturbances,so as to compensate torque disturbance in power turbine speed loop.By simulating a forward acceleration flight task,the RMMFC for the helicopter is validated.It is apparent that the integrated helicopter and engine system(IHES) has much better dynamic performance under the new control scheme.Especially in the switching process,the large transient is significantly weakened,and smooth transition among candidate controllers is achieved.Over the entire simulation task,the droop of power turbine speed with the proposed ADRC controller is significantly slighter than with the conventional PID controller,and the response time of the former is much faster than the latter.By simulating a rapid climb and descent flight task,the results also show the feasibility for the application of the proposed multiple model fusion control.Although there is aggressive power demand in this maneuver,the droop of power turbine speed with an ADRC controller is smaller than using a PID controller.The control performance for helicopter and engine is enhanced by adopting this hybrid control scheme,and simulation results in other envelope state give proofs of robustness for this new scheme.     

直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制设计

提出了一种直升机/涡轴发动机综合系统鲁棒抗扰控制方法。分别设计了基于线性矩阵不等式(LMI)的鲁棒保性能控制的直升机四通道多变量控制器和涡轴发动机转速控制器;为了进一步提高发动机自由涡轮转速环的抗扰能力,结合自抗扰控制(ADRC)方法,构建了涡轴发动机转速鲁棒保性能控制+扭矩ADRC补偿的控制方案,充分利用了ADRC控制强的干扰补偿能力,避免了鲁棒设计方法的保守性。在UH-60直升机/涡轴发动机综合模型仿真环境下通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了直升机/涡轴发动机综合系统所采用的鲁棒抗扰控制,尤其是涡轴发动机鲁棒自抗扰控制,具有理想的抗扰控制效果,能够抑制直升机机动操作过程中大的扭矩扰动对涡轴发动机造成的不利影响,从而使直升机具有更好的机动能力。     

Adaptive Sliding Control of Six-DOF Flight Simulator Motion Platform

本文使用Newton-Euler法推导了六自由度飞行模拟器运动平台完整的线性化形式的动力学方程,并以此为基础,提出了一种在任务空间中的非线性自适应滑模控制方法。这种控制方法将系统中的不确定性分为定常不确定参数和时变不确定参数,利用非线性自适应控制对定常不确定参数进行辨识,同时结合滑模控制对时变不确定参数和外部扰动进行补偿。通过数值仿真分析表明,该控制策略能准确识别运动平台的载荷、惯量、重心等参数,同时又能有效地提高系统的鲁棒性能。