航空发动机小波神经网络PID控制

提出了一种基于小波神经网络在线辨识的航空发动机比例-积分-微分(PID)控制算法.网络采用三层前向网络结构,以小波函数作为隐含层的激励函数.采用离线训练的方式训练出网络参数,以网络输出和输入之间的偏导数代替发动机模型输出和输入变量之间的偏导数,用以在线修正PID控制器的参数.阶跃响应测试表明,用小波神经网络整定的PID控制系统动态调节时间小于2s,稳态误差为零,在全飞行包线内均稳定正常工作.      

基于内模控制的多输入多输出高阶振动系统

常规的比例-积分-微分(PID)控制器一般用于单输入单输出系统。对于具有多个输入和多个输出且相互之间具有较强耦合作用的高阶多变量系统,PID控制器的设计常难以实现。针对高阶柔性结构振动控制问题,提出如下PID控制策略：首先在某一频段内对频响函数进行拟合降阶,建立过程模型,然后采用内模控制方法和麦克劳林展开式设计多输入多输出振动系统PID控制器。以4层刚架进行建模仿真计算,结果表明,通过本文方法设计的PID控制器,可以在避免未控模态影响的前提下,使外部干扰得到有效抑制,得到比较理想的控制效果。     

涡轮螺旋桨发动机建模与控制仿真

建立某型航空涡轮螺旋桨发动机核心模型,分析其加速性特点.详细分析发动机核心模型与螺旋桨负载机构之间的调节关系,建立核心发动机、燃油调节和螺旋桨一体化模型.并在一体化模型的基础上,设计发动机闭环比例-积分-微分控制器(PID控制器),添加前馈环节,抑制发动机功率超调.比较台架试车数据和模型仿真结果,验证模型可靠性和精度.     

基于果蝇-蛙跳模糊神经网络PID 的永磁直线同步电机控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统存在的非线性、时变性及强耦合性,设计一种基于模糊神经网络PID的速度控制策略,通过融合果蝇优化算法和蛙跳算法形成果蝇-蛙跳算法,实时调整优化模糊神经网络的结构参数,输出适用于PID控制器的最佳参数kp、ki、kd,实现PMLSM速度控制的自适应和智能化。仿真分析与试验结果表明,采用基于果蝇-蛙跳算法优化的模糊神经网络PID速度控制器,能使PMLSM控制系统取得更加优良的控制效果。     

基于支持向量机的航空发动机PID解耦控制

针对航空发动机多变量控制系统中各回路之间存在的耦合现象,提出了一种基于支持向量机(support vector machines,SVM)的航空发动机PID(proportion integration differentiation)解耦控制方法.利用SVM辨识发动机非线性模型,并获得SVM瞬时线性化模型,在线性化模型的基础上完成了PID参数的在线自整定.利用Lyapunov稳定性定理对控制器的收敛性进行了分析.通过对某型航空发动机的仿真,验证了该方法的有效性和可行性.      

基于人工蜂群算法优化的燃气发生器压强自适应模糊免疫PID控制

固冲发动机燃气流量控制系统因具有较强的非线性和时变性,导致其控制问题较难解决。为了实现对燃气压强的精确闭环控制,设计了基于人工蜂群算法优化的自适应模糊免疫PID (ABC-AFI-PID)控制器。控制器的比例系数由模糊免疫控制器在线修正,积分和微分系数由自适应模糊控制器实时调整,并应用人工蜂群算法对控制器的设计参数进行鲁棒优化。采用ABC-AFI-PID控制器、自适应模糊PID (AF-PID)控制器和传统PID控制器分别对某滑盘阀式流量控制系统的线性和非线性模型进行仿真,来验证控制器在设计工作点(7.24MPa)附近以及全压强调节范围内的动态性能和稳态性能。结果表明:在不同的工况下,ABC-AFI-PID控制器体现出良好的品质。相比于AF-PID控制器可将压强响应速度提高约1.8～2.5倍,相比于传统的PID控制器可将压强响应速度提高约4.6～5.1倍,并且其超调量也被控制在7.14%以内。该控制器在快速性、稳定性和鲁棒性上均展现出了巨大优势,显著地提高了燃气流量控制系统的性能。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

RLV再入返回喷流控制策略研究

针对可重复使用运载器(RLV)再入初始阶段反作用控制系统(RCS)姿态控制问题,提出了混合整数线性规划(MILP)实现RCS喷流控制策略,并应用反馈线性化理论实现RLV再入六自由度非线性模型的线性化,设计了PID控制器,并完成典型制导指令跟踪仿真.仿真结果验证了MILP控制策略的有效性.     

一种新型的智能非线性PID控制器

在分析总结标准PID控制器、各种变形PID控制器、非线性PID控制器特点的基础上，提出了一种智能非线性PID(INPID)型变结构控制器。将该INPID控制器应用于典型带延迟一阶对象和二阶对象控制，并与传统PID进行了对比，证明该控制器具有良好的控制效果、广泛的对象适应性和很强的鲁棒性。仿真结果表明．在控制量受限越强和系统参数变化范围越大的情况下，其优势越突出。     

基于单神经元自适应PID的摩擦试验机电惯量系统的研究

为了保障飞机刹车性能,对于飞机刹车材料摩擦性能的测试准确度要求很高.因此,需要设计出一个良好摩擦试验机系统.本文将神经网络与常规PID调节器控制相结合,产生一种单神经元自适应PID控制器,并应用于摩擦试验机电惯量系统.根据电惯量系统建立仿真模型,验证改变转矩电流分量的电流环给定电压来实现电惯量的可行性,通过突加负载和改变转速给定来研究加入单神经元自适应控制器后系统的控制效果.     

考虑输入饱和与姿态角速度受限的航天器姿态抗退绕控制

 针对航天器姿态控制过程中同时存在输入饱和与姿态角速度受限的问题,提出了一种新型的姿态控制设计方法。该方法在保证系统渐近稳定的前提下,能够显式地给出输入力矩和姿态角速度的最大幅值,并通过引入一个时变锐度参数来增强系统对外部干扰的抑制能力;在此基础上,进一步考虑了由于四元数的冗余性所导致的退绕问题,设计了一组新的姿态偏差函数和偏差向量,使得控制器在满足上述约束的同时还具有抗退绕的优点。仿真结果表明,所提算法能够同时满足输入饱和与姿态角速度受限的约束,并且在较大外部干扰的情况下表现出了很强的鲁棒性,同时成功地规避了退绕现象。该算法为存在多重约束的航天器姿态控制问题提供了一个新的思路和解决方案,具有很好的实际应用价值。     

刚体航天器姿态跟踪的时变滑模控制(英文)

To solve the problem of attitude tracking of a rigid spacecraft with an either known or measurable desired attitude trajectory, three types of time-varying sliding mode controls are introduced under consideration of control input constraints. The sliding surfaces of the three types initially pass arbitrary initial values of the system, and then shift or rotate to reach predetermined ones. This way, the system trajectories are always on the sliding surfaces, and the system work is guaranteed to have robustness against parameter uncertainty and external disturbances all the time. The controller parameters are optimized by means of genetic algorithm to minimize the index consisting of the weighted index of squared error （ISE） of the system and the weighted penalty term of violation of control input constraint. The stability is verified with Lyapunov method. Compared with the conventional sliding mode control, simulation results show the proposed algorithm having better robustness against inertia matrix uncertainty and external disturbance torques.     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

基于浸入与不变理论的航天器姿态跟踪自适应控制

针对惯性参数不确定的航天器姿态跟踪控制问题，基于浸入与不变（I&I）方法设计出了一种新的姿态跟踪控制器。研究结果表明，传统的浸入与不变方法运用到姿态跟踪模型，存在参数回归矩阵不可积进而导致偏微分方程无解析解的问题。针对该问题，提出了一种对回归矩阵改造使其满足可积条件的方法，通过动态放缩技术消除了回归矩阵改造前后的差异对闭环系统稳定性的影响，设计出了一种新的航天器姿态跟踪自适应控制器。通过李雅普诺夫稳定性分析方法证明了所设计的控制器能够保证闭环系统的全局渐近稳定性。相对于已有的基于动态放缩法的浸入与不变控制器，设计了一种全新的缩放因子，使得控制器的执行不需要缩放因子的信息，并且也不需要惯量矩阵的先验信息。最后，仿真对比实验进一步验证了所设计控制器的有效性和优越性。     

航天器有限时间输出反馈姿态控制

研究在角速度不可测时航天器的有限时间姿态控制问题。基于有限时间控制技术,提出了由修正Rodrigues参数进行姿态描述的航天器输出反馈姿态控制算法。首先设计了单个航天器的输出反馈姿态控制器,在没有角速度反馈时也能够保证航天器姿态在有限时间内调节到期望姿态。之后,设计了无需绝对角速度和相对角速度信息的多航天器分布式输出反馈姿态控制器。使用Lyapunov理论和图论,对闭环系统全局有限时间稳定性进行了严格的证明。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的航天器输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构

针对满足Lipschitz条件的航天器姿态控制系统这一非线性系统中存在的执行器加性故障、空间干扰与测量噪声问题,提出了基于PD型迭代学习观测器的故障重构方法。该方法具有期望的鲁棒性能指标,能够在系统存在空间干扰与测量噪声情况下实现对突变故障与时变故障等故障类型的精确重构。基于线性矩阵不等式技术给出系统化PD型迭代学习观测器的设计方法,并根据Lyapunov稳定性理论对上述设计方法的稳定性条件进行了理论证明,同时利用鲁棒技术抑制空间干扰与测量噪声对执行器故障重构的影响,通过线性矩阵不等式工具箱求解观测器参数矩阵。最后,将该方法应用到航天器姿态控制系统中,仿真结果证明了该方法的有效性。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

单推力航天器交会对接轨迹规划及跟踪控制

针对单推力航天器交会对接问题,提出一种轨迹规划及跟踪算法。首先,考虑到追踪航天器只沿本体X轴安装推力器,且推力方向固定,为了实现从起始位置转移至期望位置并满足姿态要求,基于三维螺旋线设计两阶段转移轨迹,根据初末位置以及末端速度方向要求,求解螺旋线参数。该螺旋线可以保证在初末速度方向固定情况下,曲率积分最小。其次,为了降低轨迹跟踪难度并减小初始时刻的位置跟踪控制力,需要将转移轨迹初始速度与追踪星X轴重合。传统螺旋线无法满足该约束条件。本文对传统螺旋线进行改进,提出一种旋转螺旋线轨迹设计方法。通过引入姿态旋转矩阵,将螺旋线在三维空间旋转,在不改变曲线形状的前提下满足初末位置及速度方向要求。然后,为了跟踪转移轨迹以及跟踪期望推力方向,提出基于CLF（Control Lyapunov Function）的滑模控制策略,当追踪星X轴与期望推力方向夹角较大时,采用CLF,保证最优性;当姿态误差收敛至滑模面附近时,切换为滑模控制,以提升系统鲁棒性。最后,通过仿真验证旋转螺旋线相比于传统螺旋线的优势。