基于弹性辨识的运载火箭改进AAC控制方法

针对运载火箭自适应增广控制(AAC)方法输出抖动问题提出一种改进AAC控制方法,该方法在AAC基础上增加弹性辨识算法来辨识系统弹性振动频率,通过设计陷波滤波器来抑制系统弹性振动,从而消除自适应增益输出抖动问题。仿真结果表明,该方法继承AAC抗干扰能力强的优点,避开AAC输出抖动的缺点,有效提高了系统鲁棒性。     

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。     

一种运载火箭弹性自主辨识与自适应控制方法

针对新一代运载火箭箭体空间模态复杂、刚晃弹交联耦合严重、空间模态数据不确定大偏差导致控制参数适应性不足和弹性稳定裕度小的问题,提出一种运载火箭弹性频率在线辨识和自适应控制方法。该方法基于线性调频Z变换（CZT）完成主要弹性频率信号的辨识,并在线提取控制指令中的弹性能量,据此实现基于自适应增广控制（AAC）的控制参数在线调节,提高控制系统在不确定高阶弹性振动下的适应范围和稳定裕度,并详细分析了各项调节参数对系统稳定性的影响。仿真结果表明,提出的“CZT+AAC”方法能够较好地完成弹性稳定控制任务,显著增强运载火箭任务适应性和飞行可靠性。     

一种高超声速试飞器助推段主动弹性抑制方法

针对高超声速试飞器助推段由于其高静不稳定特性所引起的低频弹性模态与刚体高带宽控制之间动态耦合问题,具有低频模态和大静不稳定度等特征,引入主动弹性抑制技术,即在传统控制器的设计基础上引入弹性振动能量在线辨识技术相结合的改进自适应增广控制技术(Adaptive augmenting control, AAC),动态改变开环系统控制增益,以降低弹性模态对舵机的影响,同时增加刚体控制系统的稳定性。仿真结果验证了该方法能够有效减小由干扰激励出的弹性模态所引起的附加舵机摆角,抑制伺服弹性耦合作用。该方法对高超声速试飞器助推段的控制具有重要的理论意义和工程应用价值。     

运载火箭的一种自适应姿态开环减载控制技术

针对运载火箭在高空风区域飞行时的减载需求,提出了一种自适应姿态开环减载控制技术。此减载控制系统采用加速度计测量火箭箭体的法向与横向视加速度,采用速率陀螺测量箭体绕质心转动角速度。设计了一种门限自动切换判别结构,使控制系统能够自动从传统纯姿态控制切换到姿态开环减载控制。当火箭遭遇到很大高空风时,控制系统姿态回路开环,俯仰通道和偏航通道分别跟踪零法向、横向视加速度指令,使火箭转到来流方向,实现减小气动载荷的目的。以某型运载火箭为例对比了几种控制方案的减载效果,仿真结果表明自适应姿态开环减载控制有效提高运载火箭减载效果,具有工程应用价值。     

运载火箭加速度计反馈主动减载实施效果评价

针对运载火箭加速度计反馈主动减载实施效果评价,提出一种基于主动减载姿态动力学稳态分析的评价方法,在传统的“载荷侧滑角”评价指标基础上增加了“姿态偏差”、“摆角需求”和“弹道偏离”评价。稳态分析中考虑了结构干扰的偏置效应以及质心运动对风的抵消效应,重点推导了风切变对于火箭姿态动力学特征参数的影响机理。某型号案例分析结果表明,在典型“平稳风+切变风”风场作用下,主动减载技术在4项评价指标上均取得理想实施效果,并且显著缓解风切变导致的姿态参数快变现象。     

运载火箭整流罩内主动降噪控制技术

运载火箭整流罩内的声振环境对有效载荷的可靠性和发射任务的成败至关重要。为改善整流罩内低频声振问题,首先从数学原理上介绍了用于主动降噪(ANC)系统的自适应滤波器和通道辨识的方法;其次针对运载火箭整流罩特定情况,建立反馈式滤波最小均方值(FxLMS)-ANC系统控制模型,并在实验室环境下搭建硬件实验平台;最后针对噪声频谱分布的不同特点开展宽带、窄带、宽带与窄带组合式ANC实验。结果表明:采取ANC控制对噪声抑制效果明显,特别是对功率谱峰值所在的频点实施窄带降噪,降噪效果更为突出。实验室环境下所得的实验结论,验证了在运载火箭整流罩内ANC的潜力。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题,提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS),并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先,推导太阳电池阵列的数学模型,并根据太阳电池阵列的工作特性,提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次,设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法,并进行了数学仿真校验。最后,对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明,电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验,在轨数据表明电源系统工作状态良好,为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

一种基于粒子群优化的卫星仅测频被动定轨新算法

提出一种新的卫星对卫星仅测频被动定轨算法,采用粒子群优化算法(PSO)解决多维全局优化问题。首先,建立了卫星对卫星仅测频被动定轨的数学模型;其次,基于粒子群优化算法提出了对目标卫星轨道根数的估计方法;再次,推导了参数估计误差的克拉-美劳(CRLB)下限。最后通过计算机仿真对算法的性能进行了验证。多次仿真结果表明:该算法的参数估计误差接近克拉-美劳下限,且算法的运算量明显优于网格搜索法。     

组合动力运载器上升段轨迹智能优化方法

针对组合动力水平起飞可重复使用运载器,开展了上升段轨迹优化模型设计与轨迹优化方法研究。首先,针对跨大空/速域飞行须采用多种动力形式协调工作这一问题,考虑动力/气动/轨迹/指标间的复杂耦合关系,建立了运载器动力和气动模型。其次,为降低轨迹优化问题的求解难度,设计了一种全新的飞行剖面,实现了关键优化参数的提取和攻角约束的自动满足,减少了优化算法需要处理的约束数量。然后,提出了一种改进的粒子群优化(PSO)算法完成求解;在收敛性分析的基础上,引入强化学习机制对PSO寻优过程进行自主智能控制,从本质上提升了PSO算法的求解效率。最后通过数学仿真验证了方法的正确性和有效性。     

基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同跟踪控制

针对一组有向通讯拓扑关系的编队航天器的协同控制问题,考虑航天器的模型不确定性(指惯量不确定性)以及受到的外部干扰的影响,设计了分布式自适应协同姿态跟踪控制器,使得各航天器姿态协同的同时跟踪时变的期望姿态。首先,针对由MRP参数描述的航天器误差动力学方程,选取了包含相对误差项以及绝对误差项的滑模面,将模型不确定项和外界干扰项作为整体处理,基于Lyapunov稳定性理论给出了非回归项的自适应算法和分布式协同跟踪控制律的设计方法,以使得各航天器协同收敛到期望的姿态,最后通过仿真验证了该算法的有效性、可行性。     

编队飞行自主控制的自适应方法

自主的高精度相对控制是实现卫星编队任务的关键技术,自主性要求控制器尽可能只利用星载设备所能提供的测量信息以减少星间通信量,高精度要求控制器连续的消除干扰力、期望轨迹推演以及参考星轨道控制与机动所造成的跟踪误差,为此,本文推导了描述星间相对运动的完整动力学模型以及对期望轨迹的跟踪误差模型,基于Lyapunov方法设计了自适应控制器,并证明了此控制器可以保证闭环系统的最终跟踪误差小于指定的界。本文给出的控制器仅需要星间的相对位置和相对速度测量,不需要主星的轨道参数、轨道位置和轨道机动信息,从而具有较高的自主性。仿真结果表明本文给出的控制器可以完成对期望轨迹的跟踪。     

飞行器再入段最优自适应积分滑模姿态控制

针对飞行器再入段的姿态跟踪控制问题,提出了一种最优自适应积分滑模控制(Optimal Adaptive Integral Sliding Mode Control, OAISMC)方法。首先针对飞行器的标称模型设计了基于状态相依黎卡提方程(State Dependent Riccati Equation, SDRE)的姿态控制器,使标称系统的性能满足提出的最优指标。然后,考虑系统的不确定性和外部干扰,在SDRE标称控制器的基础上设计积分滑模姿态控制方法,使系统在满足性能指标要求的同时,对不确定性和干扰具有鲁棒性。进一步采用自适应方法调整切换增益,避免了对复合干扰上界的先验要求,并引入滑模干扰观测器提高系统的性能。最后,仿真结果表明,在考虑外部干扰以及气动系数和大气密度摄动的情况下,本文设计的控制方法不仅能够实现姿态跟踪、满足设计的性能指标,而且具有较好的鲁棒性。     

网络化飞行器执行机构故障自适应容错控制

针对存在随机短时延和外部干扰的网络化飞行器执行机构故障问题,提出了一种自适应容错控制方法。首先利用扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)对系统不确定性进行估计,并构建了自抗扰控制器对不确定性进行补偿。在此基础上,设计了一种基于跟踪误差的自适应容错控制方法。当执行机构发生未知故障后执行机构指令能自适应逼近设计值,使得重构的控制系统精确跟踪参考模型。最后利用Lyapunov函数方法证明了闭环控制系统的有界稳定。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

一种非仿射高超声速飞行器姿态系统控制方法

针对非仿射高超声速飞行器姿态控制问题,提出了一种基于反步法的非线性控制方法。首先,通过干扰观测器估计攻角动态中的扰动量,在此基础上设计了俯仰角速度虚拟控制指令。然后,针对含有非仿射项的参数不确定的俯仰角速度动态函数,将其视为一个扩张状态,通过状态观测器对其进行估计。接着,基于动态逆方法设计了升降襟副翼的控制律并基于李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。采用指令滤波器避免反步法应用中虚拟控制指令微分项的"复杂性爆炸"问题,并得到虚拟控制指令的一阶和二阶导数信号。所提方法能够适用于变速变高飞行模式。最后,通过对比仿真实验,验证了所设计控制方法的有效性。     

基于无速度测量的无拖曳卫星自适应控制方法

为了实现无拖曳（Drag Free）卫星中卫星本体对内部质量块的高精度跟踪,首先推导了近地环境下卫星与质量块的相对运动动力学方程,并分析了影响二者相对运动的主要干扰源。针对位移模式单质量块Drag Free卫星只能获取质量块与卫星相对位置测量,设计了自适应控制器,适用于卫星质量和空间干扰为定常或慢变未知量的情况,且在卫星质量和外部干扰为未知常值的假设下,控制器能够保证卫星对质量块跟踪误差的全局渐近收敛。最后给出了仿真场景以说明本文方法的有效性。