一种高超声速飞行器的鲁棒解耦控制方法

高超飞行器的再入非线性动力学模型具有参数不确定性和外部干扰,针对这种情况基于奇异摄动理论提出了鲁棒内环外环解耦控制方案.控制系统的外环基于自适应模型参考设计简单解析的虚拟控制律,实现二阶模型动态跟踪气流系角,抑制三通道运动耦合和干扰的影响,避免了在线实时求逆计算.强耦合的内环采用动态逆跟踪虚拟的角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰和不确定性,并基于模型预测控制策略解决辅助轨迹线性化的时变控制器设计和输入约束,提高内环的鲁棒跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

临近空间飞行器的滑模变结构解耦控制

建立了临近空间滑翔飞行器六自由度运动模型,针对模型具有的快时变、强耦合、强非线性和不确定性特点,应用动态逆方法和滑模变结构控制方法分别设计了内环解耦控制器和外环鲁棒控制器,实现了解耦性与鲁棒性的有机结合,显著提高了控制系统性能.内环采用反馈线性化方法实现了姿态运动模型的伪线性化;外环滑模变结构控制器采用等速趋近律,采用饱和函数法抑制抖振现象,有效抑制外界干扰和参数偏差.仿真结果表明:基于动态逆的滑模变结构控制系统可以准确跟踪攻角、侧滑角和倾侧角指令,对外界干扰和参数偏差具有较强的鲁棒性.     

飞行器姿态的一种鲁棒自适应模糊解耦控制

飞行器姿态系统具有非线性、强耦合、多输入多输出(MIMO)的特点。本文针对飞行器姿态模型的非线性和不确定性，提出鲁棒自适应模糊解耦控制方法，对飞行姿态进行机动控制。首先，设计基于精确反馈线性化的模糊解耦控制环节。针对模糊逼近所带来的误差以及外部干扰项，采用H∞鲁棒补偿控制方法，使误差干扰项对系统的影响最小。为充分利用有限的模糊规则，采用非线性可调参数模糊模型。模糊参数的自适应调节律由李雅普诺夫综合法得到。数学仿真表明，该控制方案对于空间飞行器姿态系统中的非线性和参数不确定性具有较强的适应能力。     

高速攻击型无人机非线性鲁棒制导律研究

高速攻击型无人机是一种自杀式的精确制导武器,具有许多巡航导弹不具备的优点,是当前世界各军事强国研究的热点。为了使高速攻击型无人机能精确攻击各类具有较高机动性的目标,提出了一种非线性混合H2/H∞鲁棒制导律。由于混合H2/H∞控制具有H2控制的优良品质和H∞控制的鲁棒性,这种制导律对目标机动及其它不确定性干扰不敏感。耦合非线性汉密尔顿-雅可比偏微分不等式组是否有解直接关系到非线性混合H2/H∞鲁棒制导律的实现。现对耦合非线性汉密尔顿-雅可比偏微分不等式组进行了适当的等价转化并求解,得到了一组解析解。通过仿真研究,该制导律被证明具有较好的制导精度并对目标机动等不确定性干扰具有较好的鲁棒性。     

基于双环滑模变结构的弹头姿态鲁棒控制器设计

以大气层内机动弹头为对象模型,考虑不确定性参数和外界干扰影响,采用双环控制结构分析设计非线性强耦合条件下的姿态滑模鲁棒控制器.外环采用积分切换跟踪控制,跟踪虚拟控制量;内环考虑模型参数扰动和噪声干扰,提高鲁棒性能.通过滤波器降低噪声,抑制抖振.仿真验证了该方法的可行性和鲁棒性能.     

基于轨迹线性化方法的导弹动态逆控制系统设计

基于动态逆控制及轨迹线性化方法,研究了一种新的导弹鲁棒自适应控制系统设计方法.首先,基于导弹的非线性模型设计快、较慢回路的动态逆控制器,以实现其非线性解耦;然后,在较慢回路中设计鲁棒自适应轨迹线性化控制器,以补偿整个控制系统的不确定性及干扰,即在轨迹线性化控制的基础上,通过设计RBF神经网络在线估计系统中存在的不确定性...     

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。     

基于鲁棒近似方法的高超声速导弹复合控制方法研究

针对导弹在超高速飞行时产生的通道间强耦合、模型强不确定性,用反馈线性化与鲁棒近似复合控制方法进行控制器设计。用反馈线性化抑制通道间的耦合,用鲁棒近似方法抑制参数偏差。仿真验证了控制方法的有效性。     

基于电磁力的集群航天器构形维持自抗扰控制

针对基于电磁力的集群航天器构形控制强非线性和模型不确定性的问题,提出一种无需线性化或解耦便能够实现构形维持的自抗扰控制方法(ADRC)。首先建立远场电磁力/力矩模型和集群航天器相对运动动力学模型;在此基础上,通过设计由最速跟踪微分器(TD)、非线性扩张状态观测器(NLESO)及非线性反馈控制律(NLSEF)组成的自抗扰控制器,实现集群航天器期望相对运动位置、速度的实时估计,同时能够对模型不确定性和外部干扰进行估计和补偿。仿真结果表明,本文设计的控制器能够实现基于电磁力的集群航天器构形维持高精度控制,满足集群航天器构形维持控制的控制要求,其快速性和抗扰性都明显优于有限时间控制(FTC)。     

卫星姿态采样系统的鲁棒H_∞控制

针对一类不确定性卫星姿态采样系统,研究了鲁棒H∞控制问题,给出了卫星姿态控制系统鲁棒稳定的充要条件及相应的鲁棒H∞控制律和最优鲁棒H∞控制律,控制律是通过借助一类线性矩阵不等式(LMI),或通过求取满足线性矩阵不等式约束的优化问题求取的。仿真结果表明,系统在受到扰动后仍然是稳定的。     

Optimal satellite formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces

The inter-satellite electromagnetic forces generated by the magnetic dipoles on neighboring satellites provide an attractive control actuation alternative for satellite formation flight due to the prominent advantages of no propellant consumption or plume contamination. However, the internal force nature as well as the inherent high nonlinearity and coupling of electromagnetic forces bring unique dynamic characteristics and challenges. This paper investigates the nonlinear translational dynamics, trajectory planning and control of formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces. The nonlinear translational dynamic model is derived by utilizing analytical mechanics theory; and analysis on the dynamic characteristics is put forward. Optimal reconfiguration trajectories of electromagnetic force actuated formation are studied by applying optimal control theory and the Gauss pseudospectral method. Considering the high nonlinearity and uncertainty in the dynamic model, an inner-and-outer loop combined control strategy based on feedback linearization theory and adaptive terminal sliding mode control is proposed with finite-time convergence capability and good robust performance. Theoretical analysis and numerical simulation results are presented to validate the feasibility of the proposed translational model, reconfiguration trajectory optimization approach and control strategy.     

航天器大型舱段柔性对接技术研究

针对航天器大型舱段的自动柔性对接需求,基于并联调姿平台(6SPS)的舱段柔性对接技术开展研究。采用6SPS作为舱段位姿调整装置,在其6个支链上设置力传感器,测量每个支链所受的轴向力。在柔性对接控制中,根据负载质量特性及调姿平台姿态实时解算每个支链上由负载重力引起的轴向力,作为理论力;将实际测得的支链力与该理论力比较,进行力随动控制并调整支链长度,实现力反馈下的柔性对接控制。试验证明了力随动控制能实现根据支链力变化实时调整调姿平台位姿,满足舱段柔性对接的需求。     

Nonlinear 6-DOF control of spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic force

Compared to traditional docking systems, spacecraft docking with inter-satellite electromagnetic mechanism has distinct advantages. However, its 6-DOF control problem has not been adequately investigated. From our knowledge, this paper attempts to study the 6-DOF control problem for the first time. Based on the far-field electromagnetic force model and Hill's model, the dynamic model of translational motion is derived; using tracking control strategy, LQR method and estimate of Extended State Observer (ESO), an optimal and robust translational controller is designed to satisfy relative position/velocity requirements of soft docking. Representing the attitude of the docking spacecraft pair by unit quaternion, the attitude dynamic and kinematic models with quaternion expression are derived; using behavior-based coordinated control approach and ESO, a decentralized attitude controller is designed to simultaneously align one spacecraft with its absolute desired attitude and with the other spacecraft of the docking pair, requiring no angular velocity measurement and exhibiting better robust capability. The feasibility and performance of this proposed 6-DOF controller are validated by theoretical deduction and simulation results.     

柔性锥-杆式对接机构碰撞过程仿真研究

以中小型航天器普遍采用的锥-杆式对接机构为研究对象,提出一种柔性对接锥作为缓冲系统的方案,用柔性锥变形吸收撞击能量作为缓冲。用有限元法对碰撞过程进行仿真,讨论了柔性对接锥作为缓冲系统的性能对对接过程的影响。仿真结果表明:与普通对接锥相比,柔性锥能减小碰撞力峰值50%多。     

非工作状态下电液伺服机构运动分析

针对电液伺服机构安装到运载火箭后存在非工作状态下承受外力并产生被动运动的现状,分析伺服机构的受力情况并构建内部液体流动回路,研究非工作状态下伺服机构在外力作用时的运动特性。发现伺服阀零位特性以及伺服机构高压回路密封性能是影响伺服机构非工作状态下运动特性的主要因素。在外力作用下发生运动时油缸某一侧往往处于抽真空状态。使用零位特性良好的伺服阀以及高压回路泄漏小的伺服机构,在外力作用下将处于双向不动或单向可动的状况。利用典型产品开展了物理试验,验证了结论的有效性。     

基于自适应动力吸振器的空间桁架结构振动抑制研究

航天器中使用的轻质桁架结构在受到扰动时会产生振动,从而影响设备正常工作。为解决这一问题,本文提出一种附加在结构上的主动动力吸振装置,利用电磁力推动质量块产生的反作用力作为主动力施加在被控结构上,抑制结构振动。主动控制算法采用自适应逆扰动抑制算法,对空间环境下的结构参数变化具有一定的自适应调节能力。为验证算法的有效性,建立了桁架-吸振器系统的动力学模型,对无吸振器和有吸振器时的被动和主动吸振模式进行了仿真对比。最后在三棱柱桁架结构中进行了振动主动控制实验。结果显示在主动模式下桁架振动振幅衰减可达90%以上。
     

Collective trajectory planning for satellite swarm using inter-satellite electromagnetic force

The inter-satellite electromagnetic force presents several significant advantages that help to expand its space applications to the multi-satellite missions gradually. For a satellite swarm, whether the electromagnetic force is applied to enable collective maneuver and how to provide a better performance and broader applications for such swarm highlight an important issue. Considering the trajectory planning problem of satellite swarm using inter-satellite electromagnetic force, a behavior-based collective planning scheme is developed by designing the desired velocity of each satellite as the sum of several different behavioral contributions, which are used to represent the internal and external interactions of the swarm. Therefore, the desired configuration is associated with the equilibrium points of the pre-designed kinematical field. Furthermore, the trajectory planning problem could be translated to a parameter optimization problem considering the swarm dynamics with inter-satellite electromagnetic force. Then based on the analysis of the applicability and advantages triggered by integrating the inter-satellite electromagnetic force into such behavior-based planning scheme, the collective trajectory planning problem with sole electromagnetic force actuation and hybrid actuation with thruster are studied respectively. Numerical simulations are carried out to verify the validity of the proposed algorithm, and the satellite swarm performance enhanced by inter-satellite electromagnetic force is discussed at last.     

基于FCMAC的空间零重力环境 地面模拟装置控制

文章提出了一种新型的空间零重力地面模拟系统,该系统采用机械传动、电机驱动和气悬浮组合的方式来实现空间零重力环境的模拟,即:水平方向采用气悬浮方式,竖直方向采用永磁同步电机（PMSM）作为其执行器件,经减速器后利用滚珠丝杠及带直线轴承的导向杆的传动装置,通过力反馈控制方式来实时抵消目标重力。考虑到永磁同步电机具有非线性、强耦合的特点以及机械摩擦等不确定性及外界干扰,为保证实时性,内环采用动态性较好的滑模变结构控制器,外环采用学习速度快的模糊小脑模型关联控制（FCMAC）神经网络的控制策略来自适应学习并补偿各种不确定及非线性影响。仿真结果表明:所设计的试验系统具有整体重量轻、使用方便及零重力环境模拟精度高等优点,适用于复杂运动的大中型飞行器三维空间零重力地面模拟试验。     

无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

电动式磁悬浮动量球电磁场耦合分析

本文针对电动式磁悬浮动量球(Electrodynamic suspension reaction sphere, EDSRS)的电磁场耦合进行分析，采用定子绕组的感应电动势评判耦合强度，提出了耦合强度评判指标，作为EDSRS的结构设计约束，以降低电磁场耦合的影响。首先，结合EDSRS的具体结构特点，对多定子之间的电磁场耦合问题进行分析，采用定子电磁场在另一个定子绕组中产生的感应电动势评判耦合强度。然后，对感应电动势产生规律进行分析，提出了耦合强度评判指标，并基于所提评判指标，建立了耦合约束验证流程，作为EDSRS的结构设计约束，最后，通过有限元仿真和实验验证了上述电磁场耦合分析。