控制力矩陀螺高速转子稳定性控制仿真研究

针对航天器姿态控制执行机构磁悬浮控制力矩陀螺的高速大惯量飞轮转子系统的强非线性和由强陀螺效应产生的进动和章动导致系统的失稳问题,提出了模糊控制和传统的PID和交叉解耦控制相结合的方案,对高速转子系统中非线性所导致的问题进行了研究。研究表明,该控制器解决了陀螺效应导致的主动磁轴承-高速大惯量飞轮转子的不稳定性问题,且抑制了噪声对磁轴承稳定性的影响。最后,数值算例证明了该方法的可行性和有效性。     

非匹配不确定非线性系统的变结构控制器设计

考虑一类非匹配不确定非线性系统的变结构控制器设计问题。通过引入适当的坐标变换 ,将非匹配不确定非线性系统描述成两个串联子系统。第一个子系统与控制变量没有直接联系 ,将第二个子系统的状态变量当作虚拟控制量。在考虑所有不确定性的前提下 ,通过求解代数Riccati方程 ,构造非匹配不确定子系统的切换函数 ,由滑模运动可达条件 ,设计整个系统的变结构控制器 ,并根据系统的运行情况在线估计不确定项的参数 ,设计一种自适应变结构控制器。仿真结果表明 ,该方法是有效的。     

基于磁悬浮控制力矩陀螺的航天器动力学与仿真

磁悬浮单框架控制力矩陀螺(SGCMG)具有大输出力矩、长寿命和只消耗电能等优点,在航天控制领域引起了广泛关注.然而,航天器以及框架转动会使磁悬浮转子产生动框架效应,使输出力矩精度下降,甚至破坏磁悬浮系统稳定性.因此,建立了基于磁悬浮SGCMG的航天器动力学模型,分析了航天器、框架、磁悬浮转子三者之间的相互影响.数值仿真结果表明,框架角速度超调是破坏磁悬浮系统稳定性的主要因素.为避免磁悬浮转子失稳,应对操纵律输出适当限幅,并进一步提高框架伺服系统的性能.     

高超声速飞行器的LPV鲁棒变增益控制

针对高超声速飞行器复杂的气动特性和严重参数不确定的纵向非线性模型,提出了一种基于线性变参数(linear parameter varying, LPV)的鲁棒变增益控制方法。首先,采用雅克比线性化方法将非线性系统LPV化,并结合张量积(tensor-product, T-P)模型转换方法进行LPV系统的多胞变换,得到LPV多胞系统;然后,采用H_∞鲁棒控制和增益调度策略设计了鲁棒变增益控制器,保证高超声速飞行器的纵向稳定。该方法不仅避免了复杂的非线性控制器设计过程,而且能够有效地抑制模型参数变化。仿真结果验证了算法的有效性。     

飞轮电池磁悬浮控制系统的仿真和实验研究

提出了一种用于飞轮电池的电磁和永磁混合磁悬浮轴承设计方案，其轴向位移由电磁铁主动控制，其余自由度由永磁铁以吸力方式给以约束，同时由永磁铁提供电磁控制的偏置磁场。对电磁力和永磁力进行了有限元计算和线性化，建立了磁悬浮控制系统的模型。对系统在不同的PID控制器参数下。受到阶跃扰动力的位移响应进行了仿真。采用上述磁悬浮方案和PID控制器，完成了一个单自由度磁悬浮实验，洲试了飞轮转子轴向脉冲力位移响应．实验结果证实上述磁悬浮方案和控制器能够实现飞轮转子的稳定悬浮。     

谐波对磁悬浮转子运动轨迹的影响分析及仿真

与机械轴承支承的控制力矩陀螺相比,磁悬浮控制力矩陀螺具有转速高、寿命长、体积小、重量轻、精度高等优点,因此是大型航天器的理想执行机构。分析了磁轴承支承的陀螺转子在离心力与干扰力的作用下,其中心运动轨迹为圆,但由于谐波(主要为三次谐波)成分的存在,改变了陀螺转子中心运动轨迹(使其运动轨迹变成近似矩形或菱形)、功耗增加、引起高频干扰,并通过磁悬浮控制力矩陀螺的实验进行了验证。对于如何减小系统的功耗、提高磁悬浮转子控制系统的性能提供了理论依据。     

高精度磁悬浮反作用飞轮自适应神经网络控制

针对磁悬浮反作用飞轮存在的干扰噪声以及非线性等问题,设计了自适应神经网络机构,实现了对磁悬浮反作用飞轮的稳定控制,并利用其能够逼近复杂的非线性函数和自学习能力等特点,实现了对磁悬浮反作用飞轮系统的噪声抑制作用及非线性补偿。对某磁悬浮飞轮系统的仿真研究表明,该控制机构可有效消除飞轮系统的干扰噪声,抑制控制对象的非线性,提高磁悬浮反作用飞轮的控制精度。     

基于观测器的丢包网络控制系统控制器设计

针对网络控制系统的数据包丢失(丢包)问题,提出将网络控制系统中的丢包问题看成是被控对象输入矩阵的切换问题和控制器对象输入矩阵的分别切换问题,进而将网络控制系统看成是由矩阵切换决定的切换律未知的切换系统,将丢包等效为切换系统中子系统之间的切换。采用李雅普诺夫函数方法,对每个由矩阵形式决定的子系统设计了基于观测器的状态反馈控制器。利用线性矩阵不等式(linear matrix inequalities,LMI)的可行解给出了计算状态观测器和控制器的参数化方法。最后通过仿真算例验证了该方法的有效性。     

同时含状态和输入时滞系统的最优滑模控制

研究了一类线性时滞系统的变结构控制器的设计问题。为了简化变结构控制器的设计,首先通过非奇异线性变换将含状态时滞和输入时滞的线性系统化为无时滞系统。其次,在新坐标下,设计变结构控制器。结合二次型性能指标最优控制方法,给出了线性无时滞系统最优滑模的综合设计方法。引入趋近律方法设计控制律,有效的削弱了抖振并能保证系统在有限的时间内到达滑模面。最后,提出并证明了原系统渐近稳定的充分条件。仿真例证了该方法的有效性。     

基于MSCMG金字塔构型的航天器姿态测控一体化控制方法

提出一种基于磁悬浮控制力矩陀螺(magnetically suspended control moment gyroscope,MSCMG)金字塔构型的航天器姿态测控一体化控制方法,利用姿控回路中的执行机构,既进行航天器姿态测量,又进行航天器姿态控制,改变了传统姿控系统由姿态敏感器、控制器、执行机构的组成方式。首先建立磁悬浮转子径向力矩模型,通过实时检测磁悬浮控制力矩陀螺中的磁轴承电流、磁悬浮转子位移、框架角速度,联立金字塔构型中的3个径向力矩模型求解出航天器的姿态角速度,再设计相应的姿态控制律和框架操纵律,实现航天器的姿态调节,仿真结果证明了该方法的正确性和有效性。     

磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统变结构鲁棒控制

磁悬浮开关磁阻电机转矩和悬浮系统之间的非线性耦合是悬浮系统稳定可靠控制的最大障碍,为此提出了一种将主绕组电流摄动视为悬浮系统不确定性因素的思想。首先采用反馈精确线性化方法对径向两自由度进行解耦和线性化,然后以解耦后的两个带有主绕组电流摄动不确定性项的线性子系统为对象,利用变结构鲁棒控制对参数摄动及外部扰动的不敏感特性,设计了变结构鲁棒控制律,以消除转矩调节对悬浮系统控制的不利影响,从而实现悬浮系统的稳定控制。仿真结果表明,悬浮系统在变结构鲁棒控制作用下,输出位移对主绕组电流摄动具有很好的不变性,且系统对外力扰动具有较强的鲁棒性。     

变饱和状态柔性变结构控制系统设计

为了缩短控制系统的调节和整理时间,提出了变饱和状态柔性变结构控制系统设计方法。该方法在系统存在较大偏差时只通过线性控制器调节,在中等偏差时通过线性控制器和变饱和状态控制器一起调节,在小偏差时由线性控制器和由变饱和状态控制器转变的线性控制器一起调节,从而提高了对控制约束的利用。仿真结果表明:该方法在调节和整理时间以及跟踪精度上均优于滑模控制,而且控制信号平滑。     

十字梁实验系统的分层变结构控制

分层控制理论就是将高阶的复杂系统划分成耦合程度很低的多个低阶子系统层次,然后对每个子系统分别设计控制器并实施控制。十字梁实验系统是为控制理论研究而开发的一个高阶非线性实验平台。本文设计了分层变结构控制器,并进行了仿真,仿真结果表明,该系统具有较好的抗干扰性和鲁棒性。     

变采样周期网络控制系统的非脆弱保性能控制

研究了一类具有随机时延和控制器增益扰动的非线性网络控制系统的非脆弱保性能控制问题。基于变采样周期的方法,将网络控制系统建模为非线性Markov跳变系统。利用Lyapunov稳定性理论,给出了保证整个闭环系统均方随机渐近稳定的充分条件。通过线性矩阵不等式的方法,设计了一种非脆弱状态反馈控制器,在该控制器的作用下,闭环系统的能量函数值不超过一个规定的上界。仿真算例说明了所提方法的有效性。     

基于变增益鲁棒控制的拦截弹姿控系统设计

针对线性变参数系统,在吸收传统变增益控制思想的基础上,基于保Hz性能插值设计了一种变增益鲁棒输出反馈控制器.首先,把整个参数集基于"H,性能覆盖"的概念分割成若干个子集,然后在每个子集上利用保H∞性能插值设计变增益鲁棒控制器,并在计算出各子集的插值以后得到保证系统在整个变参数集上具有H∞性能的变参数变化率的上界.通过引入该上界,消除了控制器中的参数变化率,从而便于工程应用.文章的最后把它成功的应用于动能拦截弹姿控系统设计,达到了预期的控制效果.     

时变时滞不确定组合系统的可靠保性能鲁棒控制

针对一类孤立子系统中状态、控制输入及互联项均含有时变时滞的不确定组合系统,采用增益故障模型,提出了考虑执行器故障的可靠保性能控制问题。该执行器故障模型概括了执行器正常、执行器部分退化和执行器完全失效三种情况,系统的性能函数是带有故障输入项的积分二次函数。利用Lyapunov方法及线性矩阵不等式(LMI)方法,得到系统存在可靠保性能控制器的充分条件和控制器的设计方法,并给出了系统的可保性能表达式。最后,通过一个数值例子验证了所得结果的正确性。     

磁轴承-转子系统的离散模糊自适应滑模控制

针对磁悬浮反作用飞轮工程化的需要,提出了一种磁轴承—转子系统的离散滑模控制方法,用于处理系统中不平衡量和非线性干扰,实现了该系统的高精度鲁棒控制。针对滑模控制方法存在抖振大的问题,采用模糊控制器输出的绝对值作为滑模控制器的增益,实现了增益的自适应调节,大大减弱了抖振。设计了离散非线性跟踪微分器用于合理提取微分,代替实际速度信号实现全状态反馈。仿真结果表明,该控制系统的不平衡量和非线性干扰得到有效抑制,控制电流较小,抖振控制在精度范围之内,位移在短时间内收敛到零,从而转子绕惯性主轴旋转,实现了自动平衡。     

参数摄动的多机耦合电力系统模糊跟踪控制

提出将多机耦合电力系统的每个子系统由一系列T-S模糊逻辑模型逼近;基于模糊模型,考虑系统参数的摄动性,提出状态反馈H∞模糊跟踪控制方法,实现了参数摄动的非线性大系统的稳定跟踪控制;并将该控制器设计问题转化为线性矩阵不等式问题,用凸优化方法求解控制器的参数.仿真实验验证了方案的有效性.     

一类非线性系统的模糊变结构控制方案

针对一类特殊非线性系统的模糊变结构控制及稳定性问题,通过将非线性系统化为多个精确T S模型来建立非线性系统精确的T S模糊模型,将模糊理论与成熟的线性变结构控制理论相结合设计出一种模糊变结构控制器,提出了使全局模糊模型稳定的充分条件,并用Lyapunov稳定性理论证明该控制器能确保模糊动态模型全局渐近稳定,从而使非线性系统稳定。仿真结果表明了该设计方法的有效性。     

基于T-S模糊模型的非线性时滞系统的变结构控制

基于T-S模糊模型和变结构控制策略,研究了一类带有参数不确定项的非线性时滞系统的变结构控制问题。首先,利用变结构控制理论选择滑模面,根据可达条件提出了一种变结构控制方法,该方法确保系统的运动轨迹在有限时间内到达滑模面并一直保持在滑模面上。当不确定项不满足匹配条件时,根据Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)的方法得到了系统状态全局稳定的充分条件。最后给出了一个仿真加以说明该设计方法的有效性。