现代控制理论在复杂控制系统设计中的应用

简要介绍了现代控制理论的发展情况，详细论述了现代控制理论中几种控制方法在一些复杂控制系统设计中的应用。     

形成三星星座的小推力变轨的时间最短控制

在研究和发展星座技术中，星座的发射是一项关键技术。本文针对形成三星星座，利用最优控制中的极小值原理，解算了用恒值、连接工作、牛顿级小推力变轨的时间最短控制问题。文中建立了最优小推力变轨的数学模型，求得了最优变轨的解析解，并通过牛顿下山法求解了三星星座变轨的小推力工作最优时间、最优方向和最优变轨轨迹。最后对星座变轨小推力最优控制工程实现的途径进行了探讨。为工程应用和研究提供参考。     

具L2有界不确定性系统常值调节问题的鲁棒最优解

本文考虑具Ｌ２有界不确定性系统的常值调节问题，利用“最坏干扰”下的“最优控制”思想，将此问题描述为Ｍａｘｍｉｎ线性二次跟踪指标下的最优控制问题，便可将其归入Ｈ∞控制理论所描述的一类鲁棒最优化问题，因此，一定意义下，本文可以认为是给出了相应一类Ｈ∞问题的时域解法。     

飞机防滑刹车控制系统LQ最优控制仿真

采用现代控制理论线性二次型(LQ)最优控制理论对飞机自动防滑刹车控制ABS系统进行了深入的分析研究,并利用Matlab最优控制工具箱及Simulink对刹车控制系统进行了仿真,仿真过程综合考虑了飞机机体、机轮轮胎、路面状况、刹车控制装置的特性,以状态空间表达式导出了飞机刹车滑跑的动力学模型,通过调节制动压力来控制机轮的滑移率,使其达到期望值,求出最优反馈矩阵,将反馈矩阵代入仿真模型,最终设计出飞机防滑刹车系统最优鲁棒控制器.      

高超声速飞行器上升段最优制导间接法研究

高超声速飞行器的机身－推进一体化设计使得气动和推进之间存在强非线性耦合,本文针对高超声速飞行器的特点,提出了求解最优上升轨迹的一种可行方案。在零侧滑角和力矩瞬间平衡假设下对上升段飞行问题进行最优建模,将质量引入为状态量,以最省燃料为指标,以推力方向为最优控制量,根据极大值原理推导一阶最优条件。为数值求解两点边值问题,以解析解作为初始猜想,应用经典的有限差分方法和改进的牛顿法,在满足攻角过程约束下,通过同伦算法迭代求解最优轨迹。仿真在给定的初始约束和终端约束下进行,结果表明该制导算法能够实现对高超声速飞行器上升轨迹的优化,以参考面积为同伦参数的迭代方法,能够保证算法的收敛性和快速性。
     

绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

飞行控制中的一种新型最优控制分配方法

针对新一代多操纵面飞行器的控制分配问题,提出了一种全新的最优控制分配算法——基底排序法.该方法将优化目标按照飞行控制的需求分成控制目标和任务目标两类,以基底的形式对舵面进行重新组合,并按照期望控制目标和任务优化指标进行排序,将冗余优化问题转化成排序问题加以解决.通过与几种常用控制分配方法的比较及多操纵面飞行控制系统的仿真验证,表明基底排序法能在准确实现期望目标的同时获得更好的任务目标分配结果,构成的控制系统能按期望要求准确、快速地跟踪指令信号,并可有效地抑制飞机各控制通道之间的影响.      

最优控制在变质心再入飞行器滚动稳定中的应用

对带有差动副翼的变质心机动再入飞行器滚动稳定控制进行了研究。活动质量体在跟踪指令的过程中会对滚动通道产生干扰作用;同时飞行器本身结构的不对称会产生气动烧蚀,对滚动通道也会产生干扰作用。为了抑制这两干扰因素对滚动通道的影响,同时满足滚动稳定快速性要求,采用Bang-Bang控制理论设计鲁棒性强的副翼偏角控制律,双积分系统的时间性能指标用来确定滑模面,同时提出构造双切换函数以及在原点领域内切换为连续稳定的最优控制律来解决开关振颤问题。通过非线性六自由度仿真,结果表明所设计的控制律能有效地抑制内部和外部的干扰作用,即使在干扰作用变化大的情况下仍能使系统具有较强的鲁棒性。
     

用弹性绳系系统进行空间捕捉的最优控制

研究如何从空间平台上释放绳系捕捉系统与被捕捉负载相交会,给出了交会机动可行点的求解过程.计入系绳弹性,采用高斯伪谱算法计算交会机动涉及的非线性最优控制问题.结果表明,在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力和捕捉系统上的推进力即可实现精确的交会控制.     

绳系卫星轨道转移的最优控制

考虑系绳的弹性以及复杂状态和控制约束的作用,研究了绳系卫星面内轨道转移的最优控制问题。借助Gauss伪谱算法,将绳系卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,进而利用非线性规划方法进行求解。通过数值模拟计算了子星最优转移轨道及最优控制力。结果表明:在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力可将子星从主星下方转移到上方的平衡位置,精确地实现子星轨道转移,并使得轨道转移过程呈现出良好的光滑性和对称性。最后基于协态映射定理对解的最优性进行了验证。