共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入对航天器相对位置、姿态控制的需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿Z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

基于快速非奇异终端滑模的姿态控制技术

针对存在执行器故障与外部干扰的刚体飞行器姿态控制系统,提出一种基于快速非奇异终端滑模(NSFTSM)的姿态容错控制方法.控制方法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.采用二阶鲁棒精确微分器估计执行器故障与外部干扰,采用快速非奇异终端滑模技术设计姿态容错控制律,根据Lyapunov稳定性理论证明了方法的稳定性.稳定性分析表明,通过引入新型快速非奇异终端滑模,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,进而收敛到系统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.数值仿真结果验证了方法在姿态跟踪控制中的有效性.     

基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪控制的快速性需求,提出一类自适应终端滑模有限时间控制方法,通过引入饱和函数解决了终端滑模控制器的奇异问题,并结合实际有限时间稳定概念显式地给出了系统状态收敛时间和收敛范围之间的对应关系;为在提高系统鲁棒性的同时避免控制器抖振,设计了一种新型自适应律估计并补偿未知环境干扰。进一步地,针对如遥感卫星对地扫描成像等姿态跟踪任务中存在的状态约束问题,通过在控制器中引入具有对数形式的预设性能项,使系统滑模面响应具有期望的动态过程,约束了航天器姿态跟踪误差及其一阶导数的变化范围。仿真结果表明,设计的控制器具有较高的控制精度和响应速度,满足实际任务对状态约束的需求,且其控制输出不存在奇异和抖振,具备良好的工程应用价值。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

基于终端滑模的直接力/气动力复合控制系统设计

针对空空导弹直接力/气动力复合控制问题,建议一种基于非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSM)和动态控制分配技术的复合控制策略。根据导弹纵向运动模型设计非奇异快速终端滑模控制器,获得建立导弹过载所需要的控制力矩。采用动态控制分配将期望的控制力矩映射到气动舵和直接力装置。仿真结果表明,提出方法适用于空空导弹直接力/气动力复合控制系统设计,能够快速精确跟踪过载指令。     

基于快速终端滑模的吸气式导弹级间分离控制

针对吸气式导弹级间分离控制存在模型参数突变和强分离干扰等不确定性问题,提出了一种快速非奇异终端滑模变结构控制方案。采用动态逆方法将分离控制数学模型输入/输出线性化,然后对线性化模型设计了快速非奇异终端滑模控制器,并采用蚁群优化算法对控制器参数进行优化。对正常分离条件和异常分离条件下控制器的性能进行了仿真验证,结果表明二级导弹姿态角和角速度分别在0.5s,1s内收敛至期望状态,同时舵面无抖振现象。     

基于新型快速Terminal滑模的高超声速飞行器姿态控制

为了提高Terminal滑模的收敛速度,避免滑模控制器奇异,首先分析Terminal滑模控制器出现奇异的原因,提出了一种新型非奇异快速Terminal滑模,其收敛速度在任意点均快于双幂次形式的Terminal滑模,并给出收敛时间公式。基于此,又改进了一种结构更为简单的非奇异快速Terminal滑模。针对高超声速飞行器姿态模型,利用新型快速Terminal滑模,采用干扰观测器逼近姿态的复合干扰,设计了高超声速飞行器内、外回路Terminal滑模控制器。采用一阶滤波器,消除了由Terminal滑模所导致最终控制器的奇异问题;基于Lyapunov稳定性理论,严格证明了飞行器姿态内、外回路系统的有限时间稳定。最后,通过飞行器在气动参数标称与拉偏情况下的数字仿真,验证了设计方案的有效性。     

四旋翼无人机非奇异终端滑模位置控制器设计

针对四旋翼无人机存在模型不确定性、在野外飞行时易受外界环境干扰问题,首先采用牛顿-欧拉法进行系统建模;然后按照内外环控制结构,外环位置控制器输出姿态指令作为内环姿态控制器的输入,内环采用串级PID控制器,重点针对外环设计了一种非奇异终端滑模控制器,并基于Lyapunov理论证明了位置子系统的稳定性,得出系统误差能够在有限时间收敛到0的结论;最后,通过定点控制和轨迹跟踪仿真,表明控制器具有较快的响应速度和良好的抗干扰性能,能够快速精确地进行轨迹跟踪。     

基于非奇异快速终端滑模的永磁同步电机转速和电流控制

针对永磁同步电机在矢量控制中存在转速和电流频繁超调、稳态精度低、鲁棒性弱等问题,运用非奇异快速终端滑模控制器替代传统PI控制下的转速环控制器和电流环控制器,并采用李雅普诺夫函数证明了3个控制器的稳定性。借助MATLAB/Simulink仿真软件分析了采用非奇异快速终端滑模控制器和PI控制器的转速、电流响应波形。仿真结果表明:采用非奇异快速终端滑模控制器有更小的超调量、更高的稳态精度和更强的鲁棒性。