一种组合自适应模糊控制方法及其在月球探测车上的应用

自适应模糊控制是解决不确知非线性系统问题的一种有效手段。文中以月球探测车的驱动控制为背景,针对这类非线性MIMO系统,提出一种组合自适应模糊控制方法,用于系统模型不能准确获知的情形。在本方法中,控制律由3部分组成:监督控制项、跟踪控制项和补偿控制项。在控制律的设计中,通过自适应项来同时补偿模糊逻辑系统的逼近误差以及外部干扰的影响,且无需假设模糊逻辑系统最小逼近误差的上确界已知。基于Lyapunov方法,证明了闭环系统是全局稳定的,系统输出误差渐近收敛。将该方法应用于月球探测车的驱动控制中,仿真结果表明了方法的有效性。     

Sun–Earth L2 point formation control using polynomial eigenstructure assignment

A nonlinear controller based on polynomial eigenstructure assignment (PEA) is presented for the control of Sun–Earth L₂ point formation flying. The relative motion dynamics is formulated as a nonlinear equation and rewritten as a Quasi-Linear Time-Varying (QLTV) model. Using a coprime factorization of the desired closed-loop transfer function, the PEA controller structure is calculated by representing the controller gains as polynomials. During the implementation of spacecraft formation flying, the PEA method is extended from Linear Time-Invariant (LTI) and Linear Parameter-Varying (LPV) models to a QLTV model to produce a closed-loop system with invariant performance over a wide range of conditions. To ensure system performance, the analytic stability analysis of the closed-loop system is developed and a position keeping controller for MIMO formation flying is designed using a decoupling method to achieve the desired performance. Finally, a simulation is carried out to validate the controller performance for the formation flying.     

控制受限的编队航天器鲁棒自适应控制

研究了考虑控制受限的编队航天器鲁棒自适应轨道跟踪控制问题。针对航天器编队飞行系统中控制受限、外部扰动和模型不确定性的情况,利用反步控制方法和指令滤波设计提出了一种鲁棒自适应控制策略。指令滤波器用于补偿控制受限对于控制器的影响,同时设计了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。和滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。仿真结果表明所设计的控制器既能实现高精度的编队飞行跟踪控制,又能保证控制受限的要求。     

精确制导武器红外成像导引头控制系统研究

红外成像制导具有导引精度高、抗干扰能力强以及可进行多目标识别与跟踪等特点,目前已成为攻击型无人机、小型战术导弹等制导武器制导方式的发展方向。而红外成像导引头作为整个制导系统的重要组成部分,为了提高其控制系统的动态性能和跟踪精度,设计了一种模糊自适应PID控制器并引入到导引头控制回路中。同时,还分别采用校正网络和PID控制这些传统的改善系统性能的方法与之进行对比仿真研究,结果表明模糊自适应PID控制器较之传统方法使导引头控制系统的动态性能和跟踪精度有了明显的改善和提高。     

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求，开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程，给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式；考虑系统实现的时延影响，利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数；在控制具体实现中，采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略，克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架“锁死”现象，在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。     

柔性空间机械臂的自适应H∞容错抑振混合控制

针对关节执行器存在部分失效(PLCE)故障的漂浮基柔性空间机械臂系统，提出一种自适应H∞容错抑振混合控制算法。结合拉格朗日法与弹性振动理论推导出了系统的动力学微分方程，并截取反映柔性臂杆主振型的前两阶模态作振动分析。根据奇异摄动原理对系统进行降维，并将其分解为一个刻画刚性臂杆轨迹跟踪的慢变子系统与一个刻画柔性臂杆模态振动的快变子系统；由此设计了由慢变子系统的自适应H∞容错控制器及快变子系统的线性最优减振控制器组成混合控制器。与传统容错控制器相比，所设计的自适应H∞容错控制器具有无需获取故障先验知识的优点。对比仿真结果表明：慢变子系统的容错控制器对于PLCE型关节执行器故障具备较强的鲁棒性，快变子系统的线性最优减振控制器能够将柔性臂杆的振动模态调节至较低水平，从而校验了理论分析的正确性与混合控制策略的有效性。     

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。     

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。     

Attractive manifold-based adaptive solar attitude control of satellites in elliptic orbits

The paper presents a novel noncertainty-equivalent adaptive (NCEA) control system for the pitch attitude control of satellites in elliptic orbits using solar radiation pressure (SRP). The satellite is equipped with two identical solar flaps to produce control moments. The adaptive law is based on the attractive manifold design using filtered signals for synthesis, which is a modification of the immersion and invariance (I&I) method. The control system has a modular controller–estimator structure and has separate tunable gains. A special feature of this NCEA law is that the trajectories of the satellite converge to a manifold in an extended state space, and the adaptive law recovers the performance of a deterministic controller. This recovery of performance cannot be obtained with certainty-equivalent adaptive (CEA) laws. Simulation results are presented which show that the NCEA law accomplishes precise attitude control of the satellite in an elliptic orbit, despite large parameter uncertainties.     

保护映射理论在火星无人机鲁棒自适应控制的应用

针对具有模型不确定性特点的火星无人机控制问题,本文基于保护映射理论提出一种飞行控制的鲁棒自适应调参数方法,通过建立控制系统未知参数与闭环系统极点间的约束关系,在飞行高度和速度变化的情况下,利用对系统极点的配置,保证火星无人机的稳定飞行要求。此外,设计过程中控制器结构固定,只需给定一个初始增益,即可实现系统的鲁棒自适应调参。仿真研究表明获取的增益能使控制作用满足火星无人机在高度和速度变化情况下的稳定飞行要求。     

高超声速飞行器自适应神经网络控制

针对一类高超声速飞行器,在充分考虑其非线性模型包含未建模动态、气动参数变化、弹性形变等产生的未知非线性不确定函数以及外界扰动的情况下,设计了一种基于自适应神经网络的非线性逆控制器。首先,将系统的动态特性分为标称部分和不确定部分,采用非线性逆的思想设计标称部分的控制器,利用神经网络逼近不确定部分,将神经网络的最优权值采用自适应律进行调节,提高神经网络的在线逼近能力。利用改进的变结构控制来消除神经网络逼近误差的影响,最终使跟踪误差收敛为零,并保证闭环系统的信号有界。通过仿真验证了设计方法的正确性。     

一种相控阵天线转台伺服控制系统设计

针对相控阵天线测控系统小型化的需求,提出一种相控阵天线转台伺服控制系统设计方法,采用集成化的设计思想,将伺服控制系统集成到转台内部。系统设计有波束控制器,具有波束控制功能和自动跟踪目标的功能,以及利用网络通信方式实现对多套伺服控制系统的远程控制功能。系统的伺服控制器采用参数自适应模糊PID控制结合时间最优控制的复合控制算法,阶跃信号、正弦信号测试和跟踪测试结果表明,伺服控制系统具有优异的动态性能和较高的跟踪精度。该伺服控制系统功能丰富,控制性能良好,具有广阔的应用前景。     

基于FPGA的天线控制系统设计

介绍一种基于 FPGA(Field Program mable Gate Array)的共轴式双旋翼无人驾驶直升机遥测遥控数字引导的天线控制系统的设计方案 ,讨论其总线控制、步进电机控制、输入信号处理模块的设计思路及关键技术。该系统经过设计、布线、仿真测试 ,并应用于某型号无人驾驶直升机     

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。     

基于RBF神经网络的导弹智能控制系统设计

为智能化导弹所设计的导弹智能控制系统应能够充分利用战场信息,自主而准确地生成控制指令完成目标打击。首先建立导弹控制系统模型,并在特征点处设计符合性能要求的PID控制器。在深入分析径向基函数(RBF)网络的结构与训练方法的基础上,通过大量仿真数据对RBF网络进行离线训练,将其训练结果直接作为俯仰与偏航通道的控制器。而滚转通道为典型的2阶系统,可采用滑模控制律,并利用RBF网络实时逼近外界非线性干扰项以提高滑模控制器的性能。通过某型倾斜转弯导弹六自由度仿真说明了本文所设计的智能控制系统的有效性。     

Command shaping for a flexible satellite platform controlled by advanced fly-wheels systems

In this paper we consider the coupling between the flexibility of a spacecraft equipped with variable speed control moment Gyros and its attitude control system, in the framework of command shaping techniques. The analysis is performed on the set of equation of motion written in an explicit form describing a flexible platform and N wheels gimballed to it. The attitude control system is designed upon a Lyapunov based feedback relying upon a rigid body model. Whenever the structure is not stiff enough, flexibility degrades the performances of the controller that fails to track the desired history. We therefore study the possibility of altering the tracking signal fed to the controller trying to get rid of the relevant frequencies notch filtering them in order to reduce vibrations. The results obtained for a test case attitude acquisition maneuver are presented and the benefit deriving from the command shaping technique evaluated and discussed.     

On optimal aerodynamic attitude control of spacecraft

Attitude control of spin-stabilized satellites by means of aerodynamic forces is investigated. A controller employing two rotatable control surfaces is proposed to control the roll-yaw motions of the spacecraft spin-axis. Optimal control theory is applied to synthesize a feedback control law for the control surface rotations which leads to asymptotically stable controller operation. The system response is interpreted in terms of performance criteria such as the maximum control surface excursions, the speed of response and the associated orbital energy loss due to drag. Even with a moderate size, the controller appears quite effective in maintaining the spacecraft attitude against external disturbances.     

挠性空间结构的低维控制

首先分析了具有Ｖｏｉｇｔ型粘性阻尼的挠性梁的动力学特性，构造了系统的有限维模态逼近模型，证明了其中Ｈ∞意义下的收敛性，进而构造了系统的低维控制规律，证明了闭环路控制的稳定性，从而形成了具有潜在工程应用前景的挠性空间结构振动控制的可靠方法。     

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。     

高超声速飞行器的抗饱和切换控制

针对高超声速飞行器动力学模型强非线性及飞行过程中系统参数变化剧烈的问题,提出一种根据飞行包线分区并分别建立独立的子系统的切换系统建模方式和抗饱和切换控制方法。通过缩小子系统模型对应的飞行空域,降低系统线性化以及参数变化带来的影响,使得线性控制理论能够应用于高超声速飞行器的控制器设计当中。考虑到飞行过程中可能会遇到的执行器饱和问题,本文在切换系统模型的基础上,为高超声速飞行器设计了抗饱和切换控制器。仿真算例验证了提出的切换系统模型的优越性及抗饱和控制器的有效性。