基于非线性观测器的非合作目标姿态跟踪控制

非合作目标的姿态角速度、角加速度未知,给在轨服务航天器跟踪非合作目标姿态的控制器设计带来挑战.为解决这一问题,设计了一种非线性观测器,该观测器能够估计出非合作目标状态,然后构造了基于非线性观测器的姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的一致渐近稳定性.仿真结果表明,设计的方法不仅能够实现非合作目标的状态估计,而且实现了对非合作目标姿态的跟踪.     

四旋翼无人机动态面控制

针对四旋翼无人机（UAV）飞行器系统欠驱动特点,引入动态面控制方法,对四旋翼UAV的位置和姿态进行控制。考虑到飞行器速度和角速度难以测量,设计高增益观测器得到UAV的速度和角速度的估计值。相对于反演法,动态面控制的设计更简洁,并且通过引入滤波器来求取控制信号中的系统状态的导数项。另外,常用的时标分离方法不能给出全局稳定性分析,本文引入动态面设计控制律保证系统所有信号半全局一致有界,同时给出系统全局稳定性证明。仿真结果表明,四旋翼UAV能快速精确完成目标跟踪。      

一类反馈型非线性系统的跟踪控制

为了完成对一类反馈型非线性系统的控制,研究了该类非线性系统。首先,根据LaSalle不变性原理论证了一类自治系统收敛的引理。然后,引入误差函数,通过误差函数的Lyapunov函数寻找使得误差函数渐近稳定的控制器,再根据引理得出系统状态所跟踪的轨迹全部收敛,从而使得系统状态均有界,系统的输出趋于输入;论述了控制器使系统状态稳定的条件,给出了闭环系统稳定性的证明。最后,给出了一个固定翼飞机纵向运动飞行控制系统的算例,并且按照所提的方法设计了控制器,在MATLAB的Simulink模块下进行了仿真验证。结果表明,对于阶跃信号和正弦信号,所提出的控制方法能够使得飞机俯仰角快速收敛跟踪指令。      

滑模干扰观测器在低速光电跟踪系统中的应用

针对摩擦等非线性干扰因素对光电跟踪伺服系统低速性能的影响,系统设计分为两部分完成.将各种干扰信号等效成控制输入端的等效输入干扰(EID,Equivalent Input Disturbance),针对系统名义模型搭建滑模干扰观测器,利用系统的状态观测误差推导出系统的等效输入干扰,并采用Lyapunov函数推导出该观测器稳定收敛的条件,通过设计增益矩阵与反馈矩阵,调整观测器跟踪系统状态的收敛速度,最终实现抑制系统跟踪过程中的干扰信号;针对系统的动态部分设计了自适应加速度稳定控制器,进一步补偿了干扰估计的不足问题,保证了系统动态跟踪的精度与稳定性,增强了控制系统的鲁棒自适应能力.仿真和实验结果证明了该方法的有效性.     

滑模干扰观测器在低速光电跟踪系统中的应用

针对摩擦等非线性干扰因素对光电跟踪伺服系统低速性能的影响,系统设计分为两部分完成.将各种干扰信号等效成控制输入端的等效输入干扰(EID,Equivalent Input Disturbance),针对系统名义模型搭建滑模干扰观测器,利用系统的状态观测误差推导出系统的等效输入干扰,并采用Lyapunov函数推导出该观测器稳定收敛的条件,通过设计增益矩阵与反馈矩阵,调整观测器跟踪系统状态的收敛速度,最终实现抑制系统跟踪过程中的干扰信号;针对系统的动态部分设计了自适应加速度稳定控制器,进一步补偿了干扰估计的不足问题,保证了系统动态跟踪的精度与稳定性,增强了控制系统的鲁棒自适应能力.仿真和实验结果证明了该方法的有效性.     

基于相关滤波器的嵌入式动态目标跟踪系统设计

针对空间非合作运动目标监控,提出了一种基于嵌入式技术的动态目标实时检测与跟踪方法,并完成了跟踪系统的研制设计和测试。该视觉目标跟踪系统以嵌入式处理器为控制器,通过相机模组获取实时视频图像,图像经过视觉检测与跟踪算法程序分析,得到目标的位置信息后,控制伺服运动系统调整相机姿态实现对动态目标跟踪。提出了基于相关滤波原理的跟踪算法,搭建了树莓派嵌入式测试系统,完成实时检测与跟踪的实验评估。实验结果表明,嵌入式处理器中检测与跟踪程序的平均运行帧率达到25FPS,伺服机构在水平360°和俯仰±60°范围内实现了对移动速度90°/s的目标的实时、稳定监控与跟踪。     

基于RBF网络的导弹滑模动态逆控制律设计

讨论了一种基于径向基函数(RBF,Radial Basic Function)神经网络的导弹滑模动态逆控制律.导弹的基本控制律采用动态逆方法设计,对慢回路设计神经网络滑模控制器以补偿整个控制系统的不确定性.即用RBF神经网络逼近导弹慢模态不确定性的数学模型,并将逼近误差引入到网络权值的调节律以改善系统的动态性能;滑模控制器用于减弱模型不确定性及神经网络的逼近误差对跟踪的影响.所设计的控制器不仅保证了闭环系统的稳定性,而且使模型不确定性及神经网络的逼近误差对跟踪的影响减小到给定的性能指标.最后通过仿真分析,验证了该方法的有效性.      

控制受限航天器无角速度反馈姿态控制

重点研究了控制受限和角速度不可测情况下航天器姿态快速跟踪问题。首先定义了四元数辅助系统,并设计了包含实际误差四元数和观测误差四元数的双曲正切函数的非线性控制律;然后,证明了系统的稳定性以及控制量的有界性;最后通过数字仿真与已有的方法进行比较研究,说明该方法能大大提高卫星姿态跟踪精度和响应速度。     

一种无角速度信息的挠性航天器姿态控制方法

研究了一种无角速度信息挠性航天器的姿态稳定控制方法。针对挠性航天器陀螺故障或无陀螺配置中无角速度测量信息情形下的姿态控制问题,基于姿态四元数设计了姿态定点调节的无速率控制器,利用Lyapunov方法和LaSalle不变原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性,并对控制方案进行了改进。仿真验证了控制律的有效性。     

电动静液作动器的非线性变阻尼积分滑模控制

对于电动静液作动器(EHA),传统滑模控制器存在加速度信息难以获取,参数不易整定和控制信号抖振等问题,从而造成控制器很难应用于实际。针对以上问题,利用奇异摄动理论对EHA数学模型进行合理的降阶,从而使控制器设计避免了使用加速度信息。在此基础上,利用降阶模型设计了一种新型非线性变阻尼积分滑模控制器(NSMC),该控制器可根据位置控制误差实现系统阻尼比由欠阻尼到过阻尼的自适应调节,能有效提高位置阶跃调节性能。设计了一种基于滤波器的不确定项估计器对EHA中存在的参数不确定性和外部扰动进行实时估计并补偿。滑模面积分项的引入和不确定项估计器的使用,一方面使控制器中无需使用切换函数,实现了EHA的无抖振滑模控制,另一方面使系统整个动态过程完全表现为滑动模态,从而可根据EHA控制指标直接整定滑模面参数,大大简化了参数整定过程。同时利用Lyapunov稳定性理论对整个闭环系统和滑模面的稳定性进行了详细分析。分别与PI控制器、传统滑模控制器(SMC)和传统变阻尼滑模控制器(DVSMC)进行了详细的仿真分析比较,仿真结果表明NSMC能有效提高EHA位置跟踪性能和增强对参数不确定性和外部扰动的鲁棒性。     

无人机舵面负载模拟系统的小脑模型控制

为解决无人机舵面负载模拟系统中非线性和多余力矩扰动问题,利用小脑模型神经网络非线性逼近能力强、结构简单、适于实时控制等特点,采用小脑模型和传统PD(Proportional-Derivative)控制结合的复合控制策略,由小脑模型实现前馈控制,PD控制实现反馈控制,以保证在系统运行各阶段的控制精度.分析讨论了复合控制的不稳定性问题,研究了基于可信度分配和学习率自适应调整的改进型小脑模型的应用情况,提出一种适用于单输入单输出系统的简化小脑模型复合控制设计方法.仿真结果表明该方法有效地解决了小脑模型和PD复合控制的不稳定问题,改善了系统动态加载性能,并具有很好的抗干扰性能.     

基于跟踪微分器的靶船航向PD控制方法研究

为解决靶船航向PD控制下的超调现象以及海上传感器噪声干扰的问题,提出了基于跟踪微分器的靶船航向PD控制方法。风、海流和二阶波浪引起靶船的低频运动,动力航向系统仅控制这部分的运动。根据靶船的运动规律,建立了靶船的运动学数学模型,以及风和海流的干扰力矩模型;为能够有效测量航向的微分信号以及对信号中噪声的抑制,阐述了跟踪微分器的原理,设计了基于跟踪微分器的PD控制律,分别针对PD控制器和基于微分器的PD控制器进行仿真,在仿真过程中采用加入了高斯白噪声的航向信号,结果表明,该方法消除了单纯PD控制下的超调现象,提高了控制精度。     

电动加载系统分数阶迭代学习复合控制

针对电动加载系统存在多余力矩扰动的问题,提出一种以位置闭环和力矩闭环为反馈控制、迭代学习控制为补偿控制的复合控制策略。为提高加载系统动态性能及降低建立模型的复杂性,驱动永磁同步电机采用直接转矩控制方式,建立加载系统频域模型。在位置闭环和力矩闭环采用分数阶PIλDμ控制器代替常规PID控制器,迭代学习补偿控制采用分数阶迭代学习控制器,利用分数阶微积分的信息记忆特性提高控制系统的动态性能和鲁棒性,通过理论分析给出分数阶PD型迭代学习控制器的收敛条件。对正弦和梯形波载荷进行力矩加载实验及多余力矩抑制实验,验证了该控制方法的有效性。      

基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法

针对双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)内、外框架伺服系统耦合力矩及传动机构的非线性传动特性影响框架角速率精度的问题,提出一种基于自适应反步的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先分别就双框架伺服系统耦合力矩及框架传动机构的非线性传动特性对系统稳定性和角速率精度的影响进行分析;其次利用反步理论,通过构造适当的Lyapunov函数并逐级反推得到控制律,保证参数估值的收敛性和系统的全局稳定性;最后通过仿真分析并以小型DGMSCMG系统为对象进行实验,结果表明:与电流前馈控制比较,所提出的自适应反步控制方法,既增强双框架伺服系统的扰动抑制能力,又提高框架角速率精度。      

刚体卫星姿态的有限时间控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,设计了不存在和存在扰动力矩两种条件下的有限时间状态反馈控制律.对于无扰动力矩情形,基于非线性齐次系统性质,设计了一种便于工程实践性的连续、非奇异的比例微分形式控制算法,保证姿态闭环系统有限时间收敛到零点,而且此算法能直接推广到卫星姿态跟踪问题.对于存在扰动力矩的情形,基于有限时间Lyapunov定理设计的连续、非奇异的控制力矩保证卫星姿态和角速度在有限时间内收敛到原点附近的邻域.当外扰力矩为零时,此控制律使闭环系统状态有限时间收敛到平衡点.数学仿真结果说明了提出的控制算法有效.     

冗余直接驱动阀系统的余度控制策略

针对冗余直接驱动阀伺服系统中由于余度降级所造成的性能降低问题,提出一种神经网络自适应滑模余度控制策略.利用径向基函数神经网络RBFNN(Radial Basis Function Neural Network) 的在线学习功能,对系统发生的变化进行快速自适应补偿,使系统状态趋近于滑模面,提高跟踪精度和鲁棒性;并通过与比例微分PD(Proportional-Derivative)算法的并行控制,促进RBFNN的收敛,增强系统的稳定性.通过与PID(Proportional-Integral-Derivative)切换控制策略的对比研究,表明RBFNN自适应滑模余度控制方法不但设计简单,而且能够有效克服余度降级带来的系统性能下降的问题,极大地改善了系统的品质.      

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。     

Active vibration suppression for flexible satellites using a novel component synthesis method

This paper is devoted to developing a closed-loop vibration suppression controller for a satellite with large flexible appendages based on component synthesis vibration suppression (CSVS) method. The dynamics model of a flexible satellite is firstly established by using the Newton–Euler methodology, and the dynamics model of the flywheel is also developed. A novel CSVS method is presented based on zero-vibration differentiator (ZVD), which can guarantee multi-order vibration suppression. Combined with the proposed CSVS method, traditional closed-loop controllers such as PD or sliding mode controllers can be applied to active vibration suppression. The stability of the proposed closed-loop CSVS controller is proved by the Lyapunov theory. Subsequently, the dynamic optimal control allocation algorithm is proposed for six flywheels, and a novel nonsingular fast terminal sliding mode controller is developed to obtain practical voltage control input for the flywheel drive control system. Finally, numerical simulations are carried out to validate the effectiveness of the proposed method.     

挠性航天器滑模变结构控制及抖振抑制研究

针对挠性航天器姿态滑模变结构控制中存在的抖振问题,提出了一种改进的滑模变结构控制律.在滑模“边界层”法的基础上,用更为光滑的“反正切”函数替代饱和函数,以抑制抖振.在滑模控制器的到达运动控制律中引入滞后因子以减小机动初始时刻控制所需的最大控制力矩,避免由此引起的挠性附件振动.仿真结果表明,所设计的改进滑模变结构控制律不仅能够有效抑制抖振,而且对航天器自身参数摄动具有良好的鲁棒性.     

RLV再入神经网络自适应姿态控制器设计

可重复使用运载器（RLV）大包线再入过程中,广泛存在模型不确定与外界干扰,会给姿态控制器的设计带来不利影响,为此提出了一种神经网络自适应控制器设计方案。基于时标分离原理设计了快、慢双回路控制结构。在此基础上设计了径向基神经网络（RBFNN）自适应律,用于在线估计模型不确定和外界干扰力矩,并在控制器中进行补偿。仿真验证表明,RBFNN 自适应控制器能良好地完成姿态跟踪控制,有效地抑制干扰力矩对姿态控制的影响。自适应律能够在线估计真实的飞行器动态和外界干扰力矩,控制器具有抗扰动能力。