Robust Adaptive Attitude Maneuvering and Vibration Reducing Control of Flexible Spacecraft with Prescribed Performance

A robust adaptive control scheme with prescribed performance is proposed for attitude maneuver and vibration suppression of flexible spacecraft, in which the parametric uncertainty, external disturbances and unmeasured elastic vibration are taken into account simultaneously. On the basis of the prescribed performance control(PPC)theory,the prescribed steady state and transient performance for the attitude tracking error can be guaranteed through the stabilization of the transformed system. This controller does not need the knowledge of modal variables.The absence of measurements of these variables is compensated by appropriate dynamics of the controller which supplies their estimates. The method of sliding mode differentiator is introduced to overcome the problem of explosion of complexity inherent in traditional backstepping design. In addition,the requirements of knowing the system parameters and the unknown bound of the lumped uncertainty,including external disturbance and the estimate error of sliding mode differentiator,have been eliminated by using adaptive updating technique. Within the framework of Lyapunov theory,the stability of the transformed system is obtained. Finally,numerical simulations are carried out to verify the effectiveness of the proposed control scheme.     

高超声速飞行器自适应抗饱和再入控制

高超声速飞行器（Hypersonic vehicle,HSV）再入过程中易发生舵面饱和现象,并且其动力学模型具有强烈不确定的特征,这导致其姿态控制系统的设计极富挑战性。针对舵面受限的非线性控制问题,提出外部Anti windup系统结合二阶Terminal滑模控制律的设计方法,能够实现对气动舵面饱和的控制补偿,使HSV快速平稳地跟踪指令信号。其次,针对HSV的强不确定控制问题,提出自适应滑模干扰观测器（Adaptive sliding mode disturbance observer,ASMDO）的方法来对再入气动参数不确定及强外界干扰进行估计,此方法无需干扰界已知且学习参数少,适合实时控制。最后, 再入姿态控制的仿真结果表明了该控制方法的有效性和强鲁棒性。     

Relative Position and Attitude Control for Drag-Free Satellite with Prescribed Performance and Actuator Saturation

An adaptive prescribed performance control scheme is proposed for the drag free satellite in the presence of actuator saturation and external disturbances. The relative translation and rotation dynamics between the test mass and outer satellite are firstly derived. To guarantee prescribed performance bounds on the transient and steady control errors of relative states,a performance constrained control law is formulated with an error transformed function. In addition,the requirements to know the system parameters and the upper bound of the external disturbance in advance have been eliminated by adaptive updating technique. A command filter is concurrently used to overcome the problem of explosion of complexity inherent in the backstepping control design. Subsequently,a novel auxiliary system is constructed to compensate the adverse effects of the actuator saturation constrains. It is proved that all signals in the closed-loop system are ultimately bounded and prescribed performance of relative position and attitude control errors are guaranteed. Finally,numerical simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

基于神经网络的非线性自适应输出反馈控制

针对能够采用仿射非线性表示的含有未建模动态的SISO非线性系统，讨论了一种基于神经网络的自适应控制方法，该方法对受控对象的已知部分，有用反馈线性化方法设计控制器，用神经网络在线补偿未建模动态及外部干扰等引起的误差，从而实现自适应控制。对具有未建模动态的双车倒立摆设计了输出反馈自适应控制系统，仿真表明该方法是有效的。     

基于PID控制方法的模糊变增益振动主动控制试验研究

结合模糊控制方法智能化的特点,设计出一种不依赖模型参数且可以自动调节控制器增益的控制算法。该方法以比例、积分和微分(Proportional integral and derivative,PID)控制为基础,根据系统输出及输出变化率自动调节控制器增益,使控制系统具有更强的适应能力。同时针对振动测试信号中含有噪声干扰和直流分量的情况,构造依赖模型部分参数的二阶窗函数,在保证不改变受控模态信号特征的同时有效衰减非受控模态信号干扰及直流分量。建立悬臂梁模型进行试验验证。结果表明,该方法能够使受控系统的振动幅值减小到开环时的5%以下,其效果明显优于普通PID控制。并且,通过引入二阶窗函数,系统在具有非受控模态信号干扰的情况下能够保持有效控制,使算法具有更好的稳定性和鲁棒性。     

基于鲁棒自适应控制策略的混合型步进电机低速伺服控制性能

针对混合型步进电机低速运行状态下脉动转矩较大的特点,应用鲁棒自适应控制策略来设计其低速伺服控制器,以实现高精度的跟踪控制性能.首先,根据混合型步进电机转矩形成的机理,揭示了其固有的脉动转矩对低速运动控制产生不利影响的动力学特征,并将它归结为两种结构不确定性,便于控制器的设计;其次,采取标准的自适应控制及其鲁棒化设计思想,借助于μ-修整策略来实现相应的控制律,确保脉动转矩的最大化补偿及伺服系统低速跟踪控制满足高性能的要求;最后对所建立的低速跟踪控制系统的性能进行了试验评估,并与作者前期的工作进行了比较,试验结果验证了其有效性与可行性.     

智能桨叶振动自适应控制研究

以德国宇航研究院的智能桨叶为原型，研究了智能桨叶振动控制的实时仿真。以两台高速信号处理器（ＤＳＰ）为核心，辅以其他器件，构造智能桨叶振动控制实时仿真系统。其中一台ＤＳＰ用于智能桨叶动态特性的实时在线模拟，另一台用于实时控制。所提出的采用ＭＸ滤波器模拟智能桨叶的动态特性和反馈与自适应前馈组合控制方法均由专用汇编程序实现。在此系统上实现了对智能桨叶在４Ω、８Ω（Ω为旋翼转速）谐和激励下桨叶振动的控制，     

超机动飞行的神经网络动态逆控制

根据反馈线性化理论，讨论了神经网络自适应非线性动态逆控制设计。首先根据时标分离的原则，采用动态逆方法设计了快回路和慢回路控制器；其次提出了模型的神经网络非线性直接自适应控制方案，其中设计一种在线神经网络用于补偿模型逆误差。仿真表明，该控制方案具有较好的自适应能力的鲁棒性。     

航天器姿态滑模变结构控制系统的设计

给出了航天器三轴动力学和四元数姿态运动学方程。在分析滑模变结构控制的基本原理和设计方法的基础上，通过二次型最优法解出航天器姿态角速度与姿态角之间的函数关系，进而得到滑动平面。在此基础上，应用滑模变结构控制方法对航天器姿态控制系统进行了设计和仿真，并与PID控制系统进行了分析比较。仿真结果表明，滑模控制系统具有良好的动态品质和稳态性能，体现了变结构控制的突出优点，对系统摄动和外加干扰具有极强的鲁棒性和自适应性。     

着舰导引中的H∞飞行/推力综合控制设计

以提高低动压着舰时动态跟踪及抑制舰尾气流扰动的性能为期望 ,基于线性矩阵不等式 (LMI)的 H∞ 控制理论 ,提出了保持由地速构成的迎角 αd 恒定的 H∞ 飞行 /推力综合控制增广模型结构。使飞机在接近舰尾处于雷达导引系统关闭的关键时刻 ,该系统仍有姿态保持及抑制气流扰动的优良性能 ,从而改变了传统设计需由导引系统纠正气流扰动而引起的轨迹偏离。基于工程应用 ,文中提出了 H∞ 控制器的降阶方法 ,进行了离散化实时仿真验证。仿真表明 ,本文开发的系统能够很好地满足设计要求     

不确定非线性系统的鲁棒输出跟踪

研究了一类具有参数不确定性和外界干扰的仿射非线性系统鲁棒输出跟踪控制问题。首先利用微分几何理论中的输入输出反馈线性化技术钭不确定线性系统通过一非线性状态变换化为线性化规范形，然后利用变结构控制的思想提出了一种基于标称系统和不确定性范数界的鲁棒输出跟踪控制器设计方案，并用李雅普诺夫稳定性理论证明了利用本文设计的跟踪控制器可保证闭环系统是有界稳定的，且稳态输出跟踪误差为零。由于所设计的跟踪控制律连续，克服了常规变结构控制方案可能引起的高频抖振现象。将本文结论应用于一空间飞行器的姿态跟踪控制问题，仿结果表明了该设计方法的有效性。     

Sliding Mode Fault Tolerant Attitude Control Scheme for Spacecraft with Actuator Faults

An active fault tolerant control scheme is investigated for the attitude control systems of spacecraft with external disturbance and actuator faults by using the sliding mode technique. Firstly,the dynamic equations and kinematic equations of spacecraft are given. For the dynamic mode of spacecraft in faulty case,a fault diagnosis component is used for fault detection and estimation by using a nonlinear observer. According to the fault estimation information obtained during the fault diagnosis,the fault tolerant control scheme is developed by adopting the backstepping sliding mode control technique. Meanwhile,the Lyapunov theory is used to analyze the stability of the closed-loop attitude systems. Finally,simulation results for the attitude dynamics models show the feasibility of the proposed fault tolerant scheme.     

Fuzzy Optimal Control Design for Ship Steering

This paper presents a method to design a control scheme for nonlinear systems using fuzzy optimal control.In the design process,the nonlinear system is first converted into local subsystems using sector non-linearity approach of Takagi-Sugeno(T-S) fuzzy modeling. For each local subsystem,an optimal control is designed. Then,the parameters of local controllers are defuzzified to construct a global optimal controller. To prove the effectiveness of this control scheme,simulations are performed using the mathematical model of Esso Osaka tanker ship for set-point regulation with and without disturbance and reference tracking. In addition,the simulation results are compared with that of a PID controller for further verification and validation. It has been shown that the proposed optimal controller can be used for the nonlinear ship steering with good rise time,zero steady state error and fast settling time.     

非线性飞控系统的滑模PI混合模糊逻辑控制

针对一类空间飞行器的非线性姿态控制问题，首先通过变换将其强耦合模型分解成若干个子系统，把各子系统之间的耦全、未建模动态和外界扰动视为系统的不确定性。而后提出了一种结合滑模控制与比例积分控制的模糊逻辑控制器，运用李亚普诺夫原理对系统的稳定性进行了分析。用这种控制器对系统进行分散鲁棒自适应控制，仿真说明相对于传统滑模控制器，它具有响应速度快，跟踪精度高，鲁棒性强的优点。     

基于神经网络的一类非线性关联大系统鲁棒滑模分散控制

针对一类具有未知界扰动和子系统部分已知的非线性大系统,结合神经网络逼近方法、滑模控制研究了一种新的分散鲁棒自适应控制方法。所设计的分散控制器分为两部分,一是等效控制器,二是滑模控制器。滑模控制器用来减小系统的跟踪误差,起鲁棒控制作用。文中用神经网络逼近非线性未知函数,将网络权值误差引入到网络权值的自适应律中用以改善系统的动态性能。仿真算例证明了所设计的鲁棒分散控制器是有效的。     

5自由度机器人手臂模糊自适应控制

为了在一定的跟踪精度范围内且存在不确定性因素的情况下控制机器人跟踪设定的轨迹,给出了一种基于控制器输出误差法的自适应模糊控制法来控制机器人手臂.采用梯度下降法调节部分或全部参数以减小输出误差.该方法被应用于5自由度机器人控制系统中,仿真结果显示模糊逻辑控制器参数得到了实时调整,该方法有效.     

基于自适应逆最优控制的卫星容错控制

针对卫星在轨飞行过程中存在的一类执行机构故障,提出一种基于自适应逆最优控制原理的卫星姿态容错控制设计方法。考虑卫星执行机构出现故障的情况,将系统的不确定性参数作为估计的自适应参数,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器。同时基于Lyapunov方法,从理论上推导了所设计出的控制律的稳定性,并通过仿真进行了控制算法验证。仿真结果表明,所设计的基于自适应逆最优控制的卫星容错控制方法能够保证执行机构出现故障时姿态控制系统稳定。     

一类非线性系统的自适应模糊控制

针对一类具有未知常数控制增益的非线性系统，基于滑模型控制原理并利用Ⅰ型模糊系统的逼近能力，提出了一种自适应模糊控制器设计的新方案，该方案通过引入最优逼近误差自误应补偿项来消除建模误差的影响，从而在稳定性分析中取消了要求逼近误差平方可积或逼近误差的上确界已知的条件，通过理论分析，证明了闭环控制系统是全局稳定的，跟踪误差收敛到零。仿真结果表明了该方法的有效性。     

Adaptive Backstepping Control for Hypersonic Vehicles with Actuator Amplitude and Rate Saturation

This paper presents a constrained control strategy for the hypersonic vehicle with actuator amplitude,rate constraints and aerodynamic uncertainties. First,a vehicle-actuator control model is derived in consideration of actuator dynamics properties explicitly. Second, a nonlinear disturbance observer is designed to estimate the aerodynamic uncertainties, and then an adaptive backstepping control technique is adopted with a modified first-order-filter to eliminate the"explosion of terms"problem. Next,for handling the actuator amplitude and rate constraints,a novel auxiliary compensation system is constructed to generate quickly compensating signals to ensure tracking performance of command signal. By the Lyapunov stability proof,the proposed control scheme can enssure that the tracking errors converge to an arbitrarily small neighborhood around zero when the actuator constraints and aerodynamic uncertainties exist. Finally,numerical simulations are implemented to illustrate the effectiveness of the proposed control method.     

燃料电池电动车用隔离Boost全桥变换器的研究

针对燃料电池电动车辅助能源系统低压大功率、大升压比的特点,分析了几种隔离变换器方案,这几种方案均难以做到大功率应用。为此,提出了采用隔离Boost全桥变换器拓扑方案可有效地解决上述技术难点。文中介绍了该方案的原理,详细分析了控制系统,给出了数字化控制的实现方法和主电路关键参数的设计。为了验证上述方案的正确性,设计了5 kW,24 V输入300 V输出的隔离Boost全桥变换器。实验结果表明,系统具有良好的动态和静态性能,能有效地应用于电动汽车等领域。