航天器大角度姿态快速机动控制器参数优化设计

针对许多空间任务对航天器大角度快速机动能力提出要求的问题,研究了控制器的参数优化设计。基于一类采用四元数描述的大角度姿态快速机动Lyapunov控制器模型,以设计参数为优化变量,时间最优为优化目标,执行机构输出力矩为约束条件,建立了大角度姿态快速机动控制器优化模型。使用混合遗传算法对控制器参数进行了优化设计。仿真结果表明,经优化处理的控制器参数可在满足输出力矩约束条件下有效缩短机动时间。该方法对控制器参数的选择不依赖于设计者的经验,实施起来简单有效。     

基于粒子群算法的航天器控制参数优化设计

针对大角度姿态快速机动的航天器姿态控制器进行参数优化设计.采用四元数方法描述航天器的姿态运动,针对一类基于Lyapunov方法设计的姿态控制器,设计了描述控制器全局姿态调整能力的指标,量化了控制器参数对控制性能的影响,采用粒子群算法对控制器参数选择进行优化,避免了传统设计中基于经验选择设计参数,通过引入粒子间信息共享的机制求解优化问题.仿真结果表明:粒子群算法采用简洁的位置和速度更新实现系统寻优,在有输出力矩约束的条件下,进入最优解67 s所需的进化代数为31,可较快收敛到系统全局最优解.     

基于Lyapunov方法的卫星非线性姿态控制

为研究卫星的非线性姿态控制器设计问题,首先给出了带有非线性耦合项以及环境干扰力矩项的卫星姿态动力学方程,然后基于Lyapunov理论设计了一个新的姿态控制器。该方法克服了由引力梯度力矩项引起的控制系统设计的困难,保证了在引力梯度力矩影响下的姿态控制系统的Lyapunov稳定性,同时可通过选择一个参数使系统状态尽可能接近平衡位置。对卫星的姿态动力学模型没有进行线性化及解耦处理,而是保留了模型中小角度所引起的二阶小量,从而保证了姿态控制精度。仿真结果验证了该控制器的有效性。     

基于改进CMOPSO挠性卫星姿态机动路径优化

针对挠性卫星姿态快速机动快速稳定控制中的路径优化问题,研究了一种基于云多目标粒子群算法(CMOPSO)的姿态机动路径优化方法.为了解决云多目标粒子群算法寻优初期可能出现粒子陷入局部最优的问题,提出了一种随迭代次数呈反正切函数变化调整惯性权重的改进云多目标粒子群算法.针对挠性卫星大角度姿态机动问题,考虑挠性卫星姿态机动过程中角加速度和角速度的限制,建立了姿态机动路径参数的多目标优化模型,并采用改进的CMOPSO进行优化.仿真结果验证了所提改进的云多目标粒子群算法在挠性卫星姿态快速机动快速稳定控制中的有效性.     

基于轨迹跟踪的航天器姿态自适应鲁棒控制

针对存在不确定惯量和空间环境干扰的挠性航天器姿态大角度快速机动控制问题,提出了一种受细胞膜放电模型启发的自适应鲁棒姿态控制器设计方法.首先,为了快速完成姿态机动任务,并尽可能少激发挠性帆板振动,在挠性航天器运动学和动力学分析的基础上,提出了基于预先规划姿态运动轨迹且对不确定惯量具有自适应能力的自适应鲁棒控制器.在此基础上,为了改善机动过程中姿态跳变使系统指向精度和稳定度变差的问题,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进型自适应鲁棒控制器.所提出的控制器能够保证闭环系统渐进稳定;当惯量估计误差有界时,对于任意初始跟踪误差,该控制器可以保证姿态跟踪误差一致终值有界.仿真结果表明了所提出的改进型自适应鲁棒控制器的有效性.     

小型涵道风扇无人机自适应解耦控制律设计

为解决小型涵道风扇式无人机俯仰通道和滚转通道之间的惯性耦合问题,采用简单自适应控制(simple a-daptive control,SAC)方法对无人机姿态角速度控制回路设计模型参考自适应控制器,使该控制回路在受到不确定扰动和参数摄动的影响下,仍能稳定跟随参考模型输出;同时对所构造参考模型进行串联前馈解耦,以使无人机跟随参考模型同步解耦,进而实现对无人机姿态角速度和自身姿态角的有效控制.仿真结果显示,该控制律能使无人机姿态稳定跟踪参考模型输出,并且有效抑制了被控对象参数摄动带来的不利影响,控制系统具有较强的自适应性和鲁棒性.     

柔性航天器快速机动过程主动振动与姿态控制方法研究

针对柔性航天器挠性附件振动与姿态机动耦合降低控制精度的问题,给出了一种混合分力合成主动振动控制方法,给出了若干定理并进行了理论证明.其次,系统参数波动及随机干扰因素不可忽略,对经典滑模控制器进行优化,形成一种新型自适应-滑模变结构控制器.为应对控制力矩抖振和系统参数鲁棒性差等缺点,引入新型滑模边界层和力矩更新率.最后,提出了将混合分力合成方法与姿态控制相结合的策略.借助压电智能材料实现两者的联合应用.仿真结果表明,改进的滑模变结构控制器可有效降低参数变动及外干扰影响,结合混合分力合成方法后,柔性附件残余振动得到了明显的控制,进一步提高了姿态精度.     

车辆轨迹的预瞄与模糊分数阶比例-积分-微分控制

为提高无人车辆轨迹控制的精度,提出了一种基于预瞄误差建模和优化模糊分数阶PID控制的车辆路径跟踪方法。根据车辆动力学特性,引入预瞄横向误差模型,以预瞄横向误差为输入,车辆前轮转角为输出,调整转角角度减小偏差实现轨迹跟踪,设计模糊分数阶PID跟踪控制器。该控制器在PID的基础上结合分数阶理论,同时利用粒子群算法优化的模糊控制器对参数进行在线调整。在CarSim/Simulink联合仿真平台进行仿真研究。研究结果表明,本文所设计的控制器可行有效,为轨迹控制的研究提供了参考。     

基于ESN网络的航天器姿态跟踪鲁棒控制

为了研究具有外部干扰力矩和模型不确定性的多体航天器姿态快速跟踪控制问题,基于逆系统方法和回声状态网络(echo state network, ESN), 设计了鲁棒控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的渐近稳定性.采用"meta-learning"策略离线训练ESN网络,并应用遗传算法优化其主要参数,解决了动态递归神经网络训练困难及网络参数不易确定的问题.控制器的设计过程相对简单,不需要精确的动力学模型.该文还针对航天器中心体与天线同时跟踪不同目标的任务进行了数值仿真,结果表明所设计的鲁棒控制器对外部干扰与模型不确定具有很好的鲁棒性.     

单框架控制力矩陀螺低速特性分析

单框架控制力矩陀螺是我国进行外层空间探索的关键技术,由于它输出力矩范围大,控制精度高,经常应用于大型机动卫星以及空间站的姿态调整中,单框架控制力矩陀螺对低速性能要求很高,研究了框架伺服系统的低速特性,主要包括摩擦力矩对伺服系统的影响.并且针对单框架控制力矩陀螺系统在位置环中进行了设计和仿真.实践证明该文讨论的设计方法的正确和有效.     

过失速机动飞机内回路鲁棒解耦控制

针对过失速机动存在的非线性和强耦合问题,提出了一种内回路鲁棒解耦控制方法。控制器设计分为力矩补偿、线性控制和鲁棒补偿这3部分:首先通过查询气动数据库对阻尼力矩以外的气动力矩、惯性耦合力矩及推力附加力矩进行实时补偿;然后利用参考模型对补偿后的线性参数系统设计比例积分控制器;在此基础上采用正弦函数表征气动力矩系数和推力参数摄动,推导了模型不确定性的解析表达式,并采用滑模控制方法进行鲁棒补偿器设计。仿真结果表明:保留阻尼项的设计方案可以有效降低控制能量消耗;所设计的控制器具有较强的鲁棒性,在气动系数和控制系数的最大幅值摄动分别为60%和20%的情况下,仍然能够稳定跟踪参考指令并实现Herbst机动。     

执行器故障下临近空间飞行器容错控制重构

临近空间飞行器飞行条件复杂、气动环境恶劣，极易导致飞行器舵面出现故障，容错控制是保证飞行器安全运行的关键，对此提出了一种基于观测器-控制器的有限时间高精度容错控制重构策略．首先，为提高容错控制的精确性，在故障影响下飞行器姿态模型基础上，设计了双层快速自适应滑模观测器，实现对包含故障、干扰等在内的综合干扰有限时间估计，避免了传统自适应增益的过估计，从而有效提高观测器估计精度；进一步基于观测器估计值设计容错控制器，获得故障影响下的期望控制力矩，实现飞行姿态的有限时间容错控制．其次，针对故障时气动舵面实际提供的控制力矩难以满足期望值的问题，引入推力矢量喷管作为补充执行器．考虑故障舵面特性，采用基于二次规划的最优控制分配策略，将期望力矩合理分配到气动舵面及矢量喷管上，通过矢量喷管补偿故障舵面力矩损失，实现执行器故障下控制重构.最后，通过数值仿真验证了所设计观测器的优越性，并验证了所提出容错控制重构策略的有效性．     

一种变鲁棒系数的SGCMGs伪逆操纵律

针对五棱锥单框架控制力矩陀螺群(Single gimbaled control moment gyroscopes,SGCMGs)中存在的奇异问题,建立五棱锥构型SGCMGs系统动力学模型,基于双曲正弦函数和分段函数设计鲁棒系数,改进鲁棒伪逆操纵律,使SGCMGs系统在处于奇异状态时,保证框架角速度不为零,从而逃离奇异;在接近奇异状态时迅速避开奇异,在远离奇异状态时更精确地输出期望力矩。通过SGCMGs不同类型力矩输出和挠性航天器大角度姿态机动控制的仿真结果表明,所提SGCMGs操纵律既能够较好地规避奇异状态,又能在远离奇异时精确地输出期望力矩。     

采用横摆力矩优化分配方法的车辆稳定性控制系统

为提高车辆的操纵稳定性,设计了采用横摆力矩优化分配方法的车辆稳定性控制系统。控制系统的上层采用基于最优理论的横摆力矩控制器,该控制器根据校正横摆力矩来计算目标控制车轮的参考滑移率;下层是PID控制器,它跟踪上层控制器的参考滑移率,对目标车轮施加制动力矩从而使车辆稳定。采用八自由度非线性车辆模型在不同工况下进行仿真,结果表明所设计的控制系统能够有效地改善车辆的操纵稳定性。     

分布式电动车辆横向稳定性模糊滑模控制

针对分布式电动汽车在高速转弯和变道时,由于其高度的非线性特性和参数的不确定性而出现失稳问题,提出了分布式电动车辆横向稳定性模糊滑模控制的方法.首先建立二自由度车辆动力学模型,得到理想横摆角速度和质心侧偏角;其次设计模糊滑模控制器跟踪理想横摆角速度及质心侧偏角,并依据车辆行驶过程中的反馈信息,利用模糊逻辑对滑模控制器中滑模切换函数的系数不断进行调整优化,采用直接横摆力矩控制方法得出期望的附加横摆力矩;最后使用平均分配原则实现附加横摆力矩的控制分配.基于MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真的结果表明,所提出的模糊滑模控制方法能够有效地控制车辆姿态并提高其横向稳定性.     

基于动态非线性滑动模态的欠驱动船舶直线航迹控制

针对带有状态变量和控制输入约束条件以及横向漂移的欠驱动船舶,设计了直线航迹控制算法,通过对系统输出进行动态非线性滑模分解迭代设计,将单输入多输出的控制问题转化为标量零阶系统的镇定问题,并利用增量反馈控制,无需对不确定模型参数或风、流干扰进行估计,能够同时稳定船舶的航向和航迹。应用"育龙"轮的非线性水动力模型进行了仿真,结果表明,控制器对系统参数摄动及外界干扰不敏感,具有强的鲁棒性,且其设计参数物理意义明显、易于调节。     

雷达卫星鲁棒逆最优自适应姿态跟踪控制

针对存在外界扰动和模型参数不确定性的雷达卫星姿态跟踪控制问题,提出了一类基于修正的罗德里格斯参数描述的雷达卫星鲁棒逆最优自适应控制器设计新方法．通过Backstepping方法和构造相应李雅普诺夫函数,设计了鲁棒逆最优控制器,避免了直接求解哈密顿一雅克比一贝尔曼偏微分方程,使控制器相对于选取的具有鲁棒性的代价函数最优,并以较小的L：增益,实现对外界扰动的输入一状态稳定和鲁棒性;针对系统参数不确定性设计自适应参数更新律,对参数进行自适应学习,有效降低参数不确定对系统的不利影响．仿真结果表明：该方法能有效抑制模型不确定参数和外界未知扰动的影响,在保证姿态跟踪精度的同时,能增强系统鲁棒性．     

基于粒子群优化的主动稳定杆系统自抗扰控制

为了提高车辆的抗侧倾能力，设计了液压马达驱动式主动稳定杆控制系统，提出了基于粒子群优化（PSO）算法的分层控制策略。上层自抗扰控制器（ADRC）计算出整车所需反侧倾力矩，整车所需要的反侧倾力矩经过分配器分配到前后轴，下层三闭环比例-积分-微分控制器（PID）接收到所要提供的反侧倾力矩后计算出控制电流输入到伺服阀，从而驱动马达输出轴旋转并通过稳定杆产生主动力矩，实现车辆的主动防侧倾控制。为了使控制器有更好的控制效果，采用PSO算法整体优化上、下层控制，优化后的ADRC和PID参数再输入到整车模型中，为了使仿真接近实际效果，把实验测得的横向稳定杆扭转刚度也代入到模型中。在C级路面上采用蛇形和双移线工况进行仿真，通过将PSO优化的自抗扰系统与被动系统、PID控制系统和未优化的自抗扰控制系统对比进行仿真验证。仿真数据表明：侧倾角的大小直接影响车辆侧倾稳定性，采用PSO算法优化的分层控制策略能显著降低车辆的侧倾角，有效抑制过度的车身侧倾运动带来的不稳定性；主动控制的稳定杆比传统被动式稳定杆能更好地给车辆提供所需要的反侧倾力矩，提高了车辆抗侧倾能力；优化后的ADRC控制器比被动系统和未优化的ADR...     

无人直升机纵、横向姿态建模与稳定控制

在实际飞行中设计调整小型无人直升机控制器存在很多危险,为了达到小型无人直升机的姿态稳定控制,设计小型无人直升机试验平台.通过试验,采集控制器输入信号和相应无人直升机飞行姿态角信号,提出了动态系统辨识模型,运用神经网络对所提模型进行了辨识.应用输出反馈实现姿态的稳定解耦控制,仿真结果验证了辨识模型和控制算法的有效性.     

基于LuGre模型的电液伺服马达摩擦力矩补偿

针对大体积飞行器仿真试验时的重力偏载情况,设计并制造了一种仿真转台用中空式电液伺服马达。对影响其超低速跟踪性能的摩擦力矩进行了分析,建立了大摩擦力矩条件下的中空马达数学模型。设计了一种基于LuGre模型的自适应摩擦力矩补偿控制器。为验证该控制器的有效性,进行了不同输入下的数值仿真及试验研究。结果表明与传统的PID控制相比,基于LuGre模型的自适应摩擦力矩补偿控制能够更好地实现马达的低速性能。