多模切换控制方法及其在分导飞行器姿态机动控制中的应用研究

研究一类离散切换系统的鲁棒保性能状态反馈控制器设计问题。利用切换Lyapunov函数和线性矩阵不等式方法,得到了鲁棒保性能控制器存在的一个充分条件,给出了控制器的参数化表示,并将次优保性能控制器的设计问题转化为基于线性矩阵不等式约束下的凸优化问题。最后将所提理论应用于某飞行器的控制方案设计中,说明了本文所提设计方法的有效性。     

飞行器上干扰的测量和补偿

1、引言在“具有参数补偿的线性最优化系统设计”中论论了飞行器稳定系统采用观测器获得系统状态的方法,用参数补偿原理消除弹体弹性弯曲振动,及通过反馈增益阵实现全状态最优反馈控制。本文在上述工作基础上,设计增广系统全维或降维观测器,观测包括干扰变量在内的全部状态。这样,观测器不但是状态测量装置,也是干扰的测量装置。在满足一定的条件下,设计干扰补偿通道,用干扰补偿干扰。     

多目标非脆弱鲁棒控制器在飞行控制系统中的应用

针对飞行控制系统中存在的多种不确定性,提出了飞行控制系统的多目标非脆弱鲁棒控制器的控制方法。由系统的H2性能、H∞性能、区域极点配置和保性能控制四种控制目标,用线性矩阵不等式(LMI)法导出多目标鲁棒状态反馈控制器的存在条件,同时考虑了飞行控制系统中控制器增益的加性摄动,设计的控制器实现了系统的四种性能指标优化。仿真实验结果表明:该控制方法有较强的鲁棒性。     

自由漂浮空间机器人末端轨迹优化跟踪控制

针对自由漂浮空间机器人(FFSR)末端轨迹跟踪优化控制中惯性参数不确定的问题,基于状态依赖Riccati方程（SDRE）,提出一种采用标称SDRE控制器与补偿SDRE控制器相结合的组合优化控制器,通过SDRE基本理论及李雅普诺夫方法证明了控制方法能够实现系统跟踪的能量优化和渐近稳定,实现了FFSR在广义雅克比矩阵非奇异条件下的末端轨迹优化跟踪控制。数值仿真表明,控制器能够实现对于期望末端轨迹的有效跟踪。     

基于残差反馈控制的自动驾驶仪滚动回路设计研究

为满足战术导弹自动驾驶仪滚动回路面临的抑制严重干扰和稳定滚转姿态的需求,针对常规控制采用折中方法设计存在的问题,对基于残差反馈控制的自动驾驶仪滚动回路设计进行了研究,以解决系统鲁棒性与动态性能的矛盾。用Youla参数法分析标准闭环控制系统,提出针对被控对象发生模型摄动的控制策略:控制器分为两部分,针对无干扰等未建模特性的额定状态控制器和针对外来干扰、内部噪声等未建模特性时的残差信号反馈控制回路,分别保证系统稳定性、动态性能与鲁棒性。给出了自动驾驶仪滚动回路设计。用仿真与滑模变结构控制方法比较,验证了方法的有效性。     

基于自抗扰控制的弹头制导与控制一体化设计

针对弹头再入过程中存在的强耦合、快时变以及气动参数摄动引起的不确定性等问题,采用自抗扰控制(ADRC)技术设计了再入弹头制导与控制一体化系统。首先建立了含不确定性参数、外界随机扰动以及通道耦合因素的,具有级联形式的制导与控制一体化动力学系统。然后根据级联系统的自抗扰控制方法对系统控制器进行分层设计,各层控制器之间彼此关联构成一体化控制系统。自抗扰控制器内嵌的扩张状态观测器(ESO)可对子系统各通道内的综合不确定性进行实时观测,并在误差反馈控制量中予以动态补偿,从而实现了各通道间的解耦控制。计算结果表明:设计的一体化控制系统能够适应各种复杂飞行环境下的导引需求,控制系统具有良好的动态特性和很强的鲁棒性。     

高超声速飞行器多约束鲁棒姿态控制器设计

针对高超声速飞行器机动飞行过程中存在的攻角约束和执行机构饱和非线性问题,提出一种兼顾多约束和控制性能的鲁棒姿态控制方法。首先,采用基于动态面法的积分型障碍Lyapunov函数(IBLF)保证攻角始终处于约束区间,同时避免了传统反演法的"微分膨胀"问题;然后,设计辅助误差子系统并引入控制律,降低了高超声速飞行器输入饱和非线性对闭环系统的影响,提高了系统的控制性能。此外,本文还引入非线性干扰观测器对参数摄动及外部干扰进行估计和补偿,增强了控制律的适应性。最后,通过Lyapunov理论证明了该方法能够确保控制系统的闭环稳定性,且闭环系统所有信号均一致有界。数值仿真结果校验了本文控制器设计的有效性。     

飞行器控制的伪线性系统方法——第二部分：方法与展望

针对第一部分提出的六类典型飞行器控制问题的共性伪线性系统模型，介绍了二阶伪线性系统的直接参数化设计方法：通过设计伪线性状态反馈控制律，可使闭环系统化为一个具有指定特征结构的二阶线性定常系统，并提供了控制系统设计中的所有自由度。另外，还以希望的闭环向量结构要求、闭环系统的干扰抑制要求和最小闭环特征值灵敏度要求为例，展示了通过综合优化设计自由度来实现控制系统的多目标设计思想。最后展望了伪线性系统理论的发展前景。     

基于遗传算法的电动负载模拟器ITAE控制器设计和仿真

在电动负载模拟器（ELS）的控制系统设计过程中,其优化控制参数一般需通过大量试 验来确定。本文根据ELS的工作原理建立了其执行机构的数学模型,并分析了连接刚度参数 对系统性能的影响,指出在满足系统闭环响应技术指标条件下,应选择低的连接刚度;结合 加载梯度参数,选择适当的连接刚度,设计了ELS的复合控制器结构,并采用遗传算法对复 合控制器中的各控制参数按ITAE准则进行了寻优,获得了复合控制器参数。仿真和试验结 果表明：在该控制器作用下,闭环系统的静差小于0.5％,并且其正弦响应在10Hz时的幅差 小于10％,相差小于10deg。     

基于归一化神经网络的航天器自适应姿态跟踪控制

针对以变速控制力矩陀螺（VSCMGs）为姿态控制执行机构的航天器在同时考虑惯性参数和执行机构不确定性情况下的姿态跟踪控制问题,提出了一种基于归一化神经网络的自适应姿态跟踪控制方法。设计一个非线性反馈控制器作为航天器姿态控制的基本控制器,利用归一化神经网络设计补偿控制器,用以在线估计和消除包含系统不确定参数的未知不确定函数的影响,避免了标准自适应控制方法需要进行大量不确定参数估计的缺陷。采用神经网络输入归一化技术,简化了闭环系统复杂的稳定性分析过程。理论分析证明了闭环系统的稳定性和姿态跟踪误差的收敛性。仿真结果表明,所提出的控制方法能满足航天器在惯性参数和执行机构不确定性及外干扰存在情况下的高精度姿态跟踪控制要求。
     

运载火箭自适应增广控制参数优化整定方法

针对参数众多的自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control, AAC)技术,提出了两种基于优化算法的参数整定方法,实现了对AAC控制器参数的合理设计。第1种方法是使用粒子群算法,通过设计合理的适应度函数,使得优化得到的参数在标称状态下尽量不影响系统,在有干扰的情况下提升系统的抗扰动能力。第2种方法是重新定义高低通滤波器,减少优化参数数量,使用遗传算法得到优化的参数可以加快计算速度。仿真结果验证了使用优化算法得到的参数的合理性。与PD控制系统相比,AAC控制能够提升抗干扰能力;与滑模控制系统相比,能够看到相同精度下AAC控制的控制指令更加平滑。将第2种方法中得到的参数与使用粒子群算法对比,使用遗传算法得到的参数具有更优的性能。     

基于变增益观测器的高超声速飞行器输出反馈控制

针对吸气式高超声速飞行器飞行控制问题,提出一种基于变增益观测器的双回路非线性输出反馈控制方案。首先,为解决部分状态信号不可直接测量的问题,设计了一种可变增益状态观测器。通过状态变换将飞行器模型变换为双回路形式,并设计自适应的观测器增益系数在保证其稳定性的同时提高鲁棒性。在此基础上,将高超声速飞行器本体模型与所设计的观测器一起构成新的严反馈系统,结合反步法与动态面设计控制器。另外,引入扩张状态观测器补偿系统观测误差及耦合项。利用Lyapunov理论证明了闭环系统的一致有界稳定。最后,在不同情况下的数值仿真校验了所提控制方案在存在较大参数不确定情况下可获得理想的指令跟踪效果。     

基于LMI方法的导弹变增益状态反馈H∞控制

针对传统变增益控制方法只适用缓变系统,在整个参数空间不能在理论上保证稳定性和性能的缺陷,提出了一种基于LPV模型的状态反馈H∞控制方法,该方法通过在整个参数空间寻找单一Lyapunov函数以保证系统的稳定性,同时,为了保证系统响应的动态特性,控制过程中把闭环极点配置到指定区域内。控制器的解算可转化成一系列的线性矩阵不等式(LMI),易于实现。最后的仿真结果表明,基于该方法设计的控制器具有良好的性能。     

Lyapunov方法在姿态机动控制律设计中的应用

采用Lyapunov方法设计了独立于模型的标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律,从理论上分析和证明了在该控制律作用下的闭环系统是全局渐进稳定的;在Matlab环境下对不同条件和不同形式的控制律进行了仿真,给出了不同控制律下的控制系统性能指标,仿真结果表明设计的控制律对模型参数摄动和外界干扰具有较好的鲁棒性.     

H∞鲁棒控制与PID控制相结合的无人机飞行控制研究

针对无人机飞行过程中出现的参数摄动和外部扰动带来的影响,在经典PID控制的基础上,加入H∞鲁棒控制,形成一种混合控制方式.PID控制器在跟踪给定指令时发挥其优势,H∞控制用于处理数据摄动和外界扰动的鲁棒控制问题.因无人机飞行时部分模型参数发生摄动,所以采用H∞鲁棒控制,并把H∞鲁棒控制转化为标准H∞控制处理.标准H∞控制讨论的是在标称参数状态下,系统的扰动抑制问题.鲁棒H∞控制研究参数摄动情况下的扰动抑制问题.将H∞鲁棒控制与PID控制相结合能保证系统的动、稳态性能     

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。     

不同重力环境下空间机械臂神经自适应鲁棒控制

针对空间机械臂从地面装调到空间应用过程中重力项的变化问题,提出了一种神经网络自适应鲁棒补偿控制策略用于空间机械臂的末端控制,从而实现在地面重力环境下装调好的空间机械臂在空间微重力环境下实现在轨操控任务。通过神经网络在线建模来逼近系统模型中变化的重力项,逼近误差及系统的不确定性通过自适应鲁棒控制器来补偿。该控制策略不依赖于系统的模型,避免了回归矩阵的复杂计算及未知参数的估计,降低了计算量。基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的渐近稳定性。仿真结果表明该控制器对不同重力环境下空间机械臂的末端控制均能达到较高的控制精度,具有重要的理论研究和工程应用价值。     

线性二次极小极大最优反馈控制的同步并行解法及充要条件

在线性系统鲁棒控制及Ｈ∞时域直接状态空间方法中，化为线性二次型（ＬＱ）极小极大（ＭＡＸＭＩＮ）最优状态反馈控制问题是其方法之一。本文给出的线性二次极小极大最优反馈控制的同步并行解法克服了寻极大这种逐次寻优算法的困难。而且，只需存在（增广系统）Ｒｉｃｃａｔｉ一般矩阵代数方程的对称镇定解，即可获得充分且必要条件的最优反馈控制及抑制干扰（反馈）控制。     

一种对地姿态重定向的机动轨迹规划及控制方法

针对载荷工作时需根据目标点指向进行姿态动态调整的对地遥感卫星快速重定向问题进行了研究。鉴于综合考虑轨道运动、观测目标重定向及对目标瞄准时姿态动态调整的复杂性,首先将观测目标重定向运动解耦出来,并利用轨道系下绕欧拉轴旋转的策略进行规划,从而便于由运动学精确推导姿态机动角加速度在内的期望跟踪轨迹参量解析式;基于期望轨迹参量,设计了一种基于前馈补偿与跟踪误差线性反馈控制相结合的姿态跟踪控制器,在动力学参数确知时可实现运动学及动力学的精确补偿;进一步考虑系统离散实现及零阶保持带来的补偿误差,基于冲量等效原理对补偿算法的角加速度进行修正;最后,利用闭环与开环控制仿真对所提出方法的有效性进行了验证。     

运载火箭主动段自适应增广控制

针对运载火箭上升段在复杂飞行环境、大不确定性干扰和振动等因素的影响下,传统PID控制方法难以满足高品质控制需求的问题,进行了自适应增广控制(AAC)方法研究,以实现对运载火箭姿态的精确控制。在深入分析自适应增广控制系统整体构架的基础上,通过标称PID控制器设计与基于粒子群优化(PSO)的数字滤波器设计实现了刚体控制及对弹性振动的抑制;继而针对大范围干扰、不确定性和由于滤波器切换产生的弹性振动影响,设计了在线调整算法自适应调节PID控制增益,并对其工作机理与参数设计原则进行研究;然后设计干扰补偿回路和主动减载回路以减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在弹性振动、风干扰和参数不确定性等因素同时作用的状态下进行仿真分析,验证了自适应增广控制系统能够有效应对运载火箭主动段复杂飞行环境的影响,大幅度提升综合控制性能,具有理论研究意义与工程应用价值。