磁悬浮飞轮转子系统的快速Terminal滑模控制

针对磁悬浮飞轮(MSFW)高精度控制的要求,提出了磁悬浮飞轮转子的快速Terminal滑模控制(FTSMC)以实现其鲁棒控制。建立了MSFW动力学方程,对MSFW受控自由度引入交叉反馈设计实现了各自由度解耦,分析并选取了三阶非线性微分跟踪器得到所需的微分信号,设计了快速Terminal滑模控制器,并利用Lyapunov函数证明了该控制系统的稳定性。仿真结果表明,与采用普通滑模控制相比,该控制系统具有状态响应快、系统状态在设定时间内迅速收敛以及抖振小等特点。     

基于非线性动态逆方法的TF/TA控制器设计

为了增强巡航导弹的低空突防能力，应用非线性动态逆原理设计了具有纵向和侧向解耦能力的TF／TA控制器。这种方法利用了反馈线性化理论，研究通过非线性反馈或动态补偿的方法，将非线性系统变换为线性系统(伪线性系统)，然后再按线性系统理论完成系统的各种控制目标设计。由于巡航导弹模型的复杂非线性，本文提出了一种简化方法。针对其各状态变量的时间响应特性不同，采取了分阶控制的方法，将TF／TA控制器分解为内环、中环和外环三层分别设计，这样大大简化了控制器设计的复杂性。最后以某巡航弹为例进行了全系统仿真，仿真结果表明，用非线性动态逆方法设计的TF／TA控制器具有良好的纵侧向解耦能力和快速响应能力。导弹能够准确地跟踪地形轮廓飞行，而且可以有效地绕过地形中的相对高处，并且系统对参数摄动具有一定的鲁棒性。     

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。     

面向控制的燃油调节器动态特性研究

作为吸气式发动机燃油控制系统的被控对象,燃油调节器的动态特性对调节器自身的性能优化和控制系统设计均至关重要。基于燃油调节器的工作原理,采用集中参数法建立了燃油调节器的非线性模型,对其进行小偏差线性化得到其状态空间模型,计算获得其传递函数,并详细分析了燃油调节器的动态特性影响因素,为燃油调节器性能优化提供参考。通过模型降价简化传递函数模型获得其一阶模型,分析表明一阶模型和原模型的频域特性符合的很好,低阶模型能够表示燃油调节器的动态特性,为燃油控制系统设计和控制参数优化奠定了基础。     

三轴稳定飞行器姿态控制系统混合LQR-H_∞控制器设计

基于简化的三轴稳定飞行器运动模型设计了线性二次型(LQR)最优跟踪调节器。为消除系统模型的不确定性,由微分几何精确反馈线性化理论设计了LQR输出反馈补偿器;对系统的外加干扰,考虑H∞控制的混合灵敏度设计了混合LQR-H∞控制器。仿真结果表明:该设计方法不仅使姿态控制系统有良好的跟踪特性,而且具一定的抗干扰能力,系统鲁棒性较强。     

基于反馈线性化的高速无人机自适应控制系统设计

高速无人机是典型的复杂非线性、参数不确定性系统,且各控制通道之间存在强耦合作用,这对飞行控制系统设计提出了严峻挑战。针对其非线性特性和耦合特性,采用精确反馈线性化理论将无人机动力学模型解耦为3个独立的子系统,即滚转、俯仰和偏航通道;应用模型参考自适应控制方法分别设计每个通道的姿态控制器。研究表明,上述线性化方法能够实现三通道解耦,所设计控制系统满足飞行控制性能要求,且对气动参数摄动和外部干扰具有较强的鲁棒性。     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

基于ESO的用户星天线跟踪指向控制技术

基于独特的非线性扩张状态观测器(ESO),提出了一种用户卫星天线跟踪指向控制系统。该系统由程序跟踪内环和自动跟踪外环组成。内环控制器由三阶ESO、线性比例微分控制律和静态解耦律组成。外环控制器为一简单的积分控制器。ESO能够在不依赖天线模型的情况下估计出系统状态和总扰动(称为扩张状态)。利用该扩张状态实现动态反馈补偿,则天线系统被简化为解耦的积分系统。基于ESO设计天线控制系统,无需精确的用户卫星天线模型。仿真结果表明,提出的天线控制系统具有较高的跟踪指向性能和对干扰和不确定性具有较强的鲁棒性。     

运载器末助推段非线性姿态控制器设计

根据单摆模型近似晃动质量推导晃动运动与姿态运动的动力学方程,基于状态相关黎卡提方程方法,综合动态逆控制方法设计了运载器末助推段非线性姿态控制器,由状态反馈实现姿态跟踪和晃动抑制。因实际中模拟晃动运动的单摆状态无法测量,引入输出多采样率技术,通过在一个采样周期内多次检测被控对象的输出估计状态,实现设计的状态反馈控制律。数...     

一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承

提出一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承结构,球面磁轴承定、转子均采用球面结构。当磁通作用在转子的球形包络面时,产生的电磁力会指向转子球心,不会对转子产生干扰力矩,但少量的漏磁磁通会作用在转子的非球形平面上,导致低干扰力矩的出现。利用等效磁路法对球形转子偏转时轴向部分漏磁导致的干扰力矩进行分析,得出干扰力矩的数学表达式。运用有限元法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明干扰力矩随着转子偏转角度的增加而增大,当转子偏转角达到最大允许值0.3°时,球面磁轴承与柱面磁轴承相比干扰力矩减小两个数量级。球面磁轴承的低干扰力矩特性决定其特别适用于磁悬浮控制力矩陀螺,可提高陀螺的控制精度,在磁悬浮高能密度电机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。     

航天器姿态的非线性鲁棒分散控制器设计

研究了具有外部干扰力矩及参数不确定性的航天器姿态控制问题。针对这类多输入-多输出的不确定非线性系统，基于一种非线性鲁棒分散控制理论，设计了结构简单而易于实现的控制器。该控制器中包含的积分环节可以补偿系统的各种未知因素，同时确保恒值调节系统不存在稳态误差。仿真结果表明：所设计的鲁棒分散控制器与非线性动态逆控制器相比，具有更优越的抗干扰能力和对模型不确定的适应能力。即使系统存在外部干扰及模型小确定性，仍可在闭环系统中实现精确的姿态控制。该控制器有效地提高了航天器姿态控制的鲁棒性和适应性。     

A heuristic design method for attitude stabilization of magnetic actuated satellites

In this paper a heuristic design strategy for stabilizing the satellite attitude has been proposed. It is assumed that the satellite is actuated by a set of mutually perpendicular magnetic coils. Using well-known Lyapunov direct stability method it is shown that the proposed controller causes to a global asymptotic stable system for all near polar orbits. The design procedure is based on analyzing of the conceptual effects of magnetic coils on the satellite attitude motion. Considering these effects lead to some intuitive results which determine the global stabilizing control law. The performance and robustness of the designed controller against actuators saturation and quantization error have been verified using a real-time-hardware–software in-loop (RTHSIL) simulation results. These results show that the global stability can be achieved although some disturbances and restrictions exist. This stabilizing controller can be simply combined with a linear explicit model predictive controller (EMPC) to achieve a full three-axis control law.     

利用反作用飞轮阵实现飞行器大角度姿态机动的非线性快速控制

本文首先给出了采用姿态角速度和四元数矢量部分表示的姿态动力学模型。然后,构造了一个可逆的全局非线性坐标变换,使得非线性姿态动力学模型与一个具有可控标准形的线性系统等价。进一步的设计了反作用飞轮电机力矩的快速控制规律。给出了机动时间和系统状态的简单计算公式。最后,文中还介绍了数字仿真实例和结果。     

控制力矩陀螺磁悬浮转子的指数趋近积分滑模控制研究

针对微重力、动框架等多源扰动下磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承转子系统的强非线性、参数摄动及未建模动态等问题,开展控制力矩陀螺的磁轴承转子鲁棒控制研究。建立了磁轴承转子轴向通道动力学模型与电磁力工作点线性化模型,分析了系统参数摄动及未建模动态,并在此基础上提出了一种非线性系统指数趋近积分滑模控制方法,设计了含有电流及位移的积分滑模平面,采用指数趋近律与饱和函数抑制抖振实现到达阶段滑模控制律。实验结果表明：采用该方法可有效抑制滑模的抖振现象,参数摄动时系统具有较佳动态性能,同时在转子转动、框架工作时保证系统良好鲁棒性。     

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。     

状态/输入约束下飞-推一体化的保性能安全控制

基于飞行-推力一体化思想提出了一种针对搭载超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器速度通道的状态/输入约束自适应鲁棒保性能安全控制方案。首先根据超燃冲压发动机的机理分析与计算流体动力模型数据，建立了安全子系统与性能子系统面向控制的仿射非线性模型。之后基于障碍Lyapunov理论与动态面设计方法设计了一套安全子系统状态约束控制器，从理论上保证了飞行器在跟踪指令的全过程中，发动机相关状态不会触碰安全边界，并结合自适应技术与辅助系统提高了该控制系统的鲁棒性。针对性能子系统设计了一套鲁棒自抗扰控制器，达到“保证安全的前提下不折损性能”的目的。仿真结果表明所设计的控制系统可以在保障安全的同时达到预想的性能，并显著放宽了超燃冲压发动机对飞行器飞行姿态的约束，保证了高超声速飞行器的机动灵活性。     

动态环路法磁矩测量技术研究

文章提出了一种新的航天器磁矩测量方法——动态环路法。首先,利用高斯电势级数公式建立了航天器的磁性偶极-四极模型。然后,针对模型中的8个磁矩分量,基于动态环路法的基本测量原理,设计了5组磁通感应线圈;根据8个磁矩分量的磁感应强度分布以及5组线圈的具体形状和位置,给出了各磁矩分量的磁通量表达式和利用积分法计算各个磁矩分量的公式。最后,对在推导过程中由于简化带来的近似误差和利用积分法计算公式理论计算误差进行了初步分析。当线圈间隔L为半径r的5%时,近似误差和积分法理论计算误差分别不超过2%和0.17%。结果表明,该方法不但能够获得航天器的磁矩大小并计算出其磁心坐标,而且还具有测量过程简单、测量速度较快以及测量精度高的优点。     

A heuristic design method for attitude stabilization of magnetic actuated satellites

In this paper a heuristic design strategy for stabilizing the satellite attitude has been proposed. It is assumed that the satellite is actuated by a set of mutually perpendicular magnetic coils. Using well-known Lyapunov direct stability method it is shown that the proposed controller causes to a global asymptotic stable system for all near polar orbits. The design procedure is based on analyzing of the conceptual effects of magnetic coils on the satellite attitude motion. Considering these effects lead to some intuitive results which determine the global stabilizing control law. The performance and robustness of the designed controller against actuators saturation and quantization error have been verified using a real-time-hardware–software in-loop (RTHSIL) simulation results. These results show that the global stability can be achieved although some disturbances and restrictions exist. This stabilizing controller can be simply combined with a linear explicit model predictive controller (EMPC) to achieve a full three-axis control law.     

一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法

针对传统捷联惯导算法模型为非线性,需要对姿态、速度和位置分步运算,且高动态下算法精度较低的问题,提出一种地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。利用伪线性模型及其分析方法,将传统的地理系下捷联惯导方程各部分转换成伪线性形式,定义导航向量并建立其系统模型;再利用高阶数值积分算法提升导航向量更新精度,得到地理系下基于伪线性模型的捷联惯导算法。最后,用仿真评估算法精度,与传统捷联惯导算法相比,大机动条件仿真中伪线性捷联惯导算法的精度提升了两个量级;旋转弹飞行仿真中导航误差不到传统算法的1/5。提出的伪线性捷联惯导算法结构简单,采用一个更新回路即可完成导航向量更新,且在高动态大机动条件下具有更高的算法精度,因此,对于捷联惯导算法研究与工程应用有一定的参考价值。     

随机激励下非线性振动系统特性的定性分析

求解李雅普诺夫方程,可直接获得平稳随机振动响应协方差矩阵。用等效线性化方法处理非线性系统,通过多次迭代求解李雅普诺夫方程可得到稳定的等效线性系统参数,从而获得一种多自由度非线性系统特性定性分析方法,为实际的非线性动力学系统建模提供了理论依据。对几个实例进行了仿真分析,结果验证了该方法的有效性。