智能桁架结构最速自抗扰振动控制研究

研究新型实用的非线性自抗扰控制技术,在大型空间智能桁架结构主动振动控制中的应用.自抗扰控制技术的主要特性是采用扩张状态观测器对系统建模、未建模动态和外扰进行实时估计,并在控制信号中补偿掉,实现非线性不确定对象的动态补偿线性化.首先,基于动态补偿线性化的思想,对多变量耦合的非线性智能桁架结构的数学模型进行解耦;然后,采用扩张状态观测器和离散最速控制综合函数提出了一种新颖的最速自抗扰振动控制器.最后,对空间102杆压电智能桁架结构进行了最速自抗扰振动控制仿真研究.结果表明:本文提出的最速自抗扰振动控制器较好地解决了振动控制的准确性和快速性之间的矛盾,可有效地用于大型空间智能桁架结构的主动振动控制.     

基于自适应滑模的重复使用运载器容错控制

针对重复使用运载器(RLV)等类飞行器存在外界干扰和执行机构故障等情况,提出一种基于姿态跟踪容错控制方法。在正常的运行模式下,姿态跟踪控制采用连续四元数反馈控制器。当系统中出现故障时,飞行器姿态将偏离参考轨迹,此时触发控制系统中滑动模态反应,使系统具有鲁棒性。通过选取适当李雅普诺夫函数,证明了所提出的控制律在存在故障的情况下是渐近稳定的。针对由于传感器干扰滑模面非零而导致的增益渐增,以及控制器性能下降问题,设计了一种具有自适应参数的自适应滑模控制律,使增益能够收敛到合理上界。最后,选取重复使用运载器再入段为对象进行仿真验证。仿真结果表明,采用有自适应滑模参数的控制系统,四元数跟踪误差能够达到10~(-4)量级。     

压电复合材料层合梁非线性模糊滤波振动控制

在振动主动前馈控制中通常采用的自适应滤波-XLMS算法只限定于线性主动控制问题.由于在振动主动控制中各种非线性因素的存在,使得非线性控制方法成为必需.本文利用模糊逻辑系统能够逼近任何非线性系统的特性,提出了一种非线性模糊滤波振动控制方法,解决了由于传感通道的非线性使得参考信号与外扰间呈非线性函数关系的主动控制问题.针对具有压电作动器的复合材料层合梁进行了振动主动控制的数值仿真计算,结果表明该非线性模糊自适应控制方法优于线性滤波-XLMS方法.     

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制（英文）

针对快速调姿挠性航天器的姿态控制问题,提出一种基于输入成型的自适应姿态控制方法,解决俯仰、偏航、滚转三通道的控制耦合问题,抑制航天器挠性振动、提高姿态控制精度。首先,建立了考虑弹性振动、执行器故障及惯量不确定性的挠性航天器姿态动力学模型。基于欧拉轴角提出一种姿态机动参考轨迹设计方法,避免了俯仰、偏航、滚转三通道的耦合问题。通过多模输入成型方法对姿态机动参考轨迹进行修正,以抑制航天器弹性振动。采用自适应容错控制方法对修正后的参考轨迹进行跟踪,以实现挠性航天器快速姿态机动任务。数值仿真结果表明,与传统PD姿态控制方法相比,所提出的基于输入成型的挠性航天器自适应姿态控制方法可将残余弹性振动幅值和姿态控制偏差降低两个数量级,验证了该方法的有效性。     

星敏感器辅助的临近空间飞行器姿态匹配传递对准方法

为解决临近空间飞行器的精确、快速传递对准问题,提出了发射点惯性坐标系下基于星敏感器信息辅助的传递对准方案。根据星敏感器输出的不同形式的姿态信息,如利用TRIAD算法获得的姿态角信息或利用QUEST算法获得的姿态四元数信息,分别建立了基于平台失准角和基于加性四元数的非线性传递对准模型。针对非线性特性模型,采用UKF滤波算法进行了数学仿真。仿真结果表明,在2 s内,两种方案的姿态角误差均可以收敛到20"。仿真验证了两种算法的有效性,为临近空间飞行器的传递对准提供了参考。     

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚-液-柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.     

DYNAMIC MODELING AND STABILITY CONTROL OF FOLDING WING AIRCRAFT 1)

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.     

箭载捷联惯导系统水平自对准的两种实用方法

箭载惯导系统的方位对准一般通过外界直接瞄准装订,而水平对准利用惯导系统的惯性器件测量和计算来实现.在运载火箭初始对准过程中,箭体受发射场阵风等干扰因素的影响而使得惯导系统产生角晃动与线晃动,水平对准方法必须具备抗晃动干扰的能力.根据运载火箭初始对准中的水平姿态角及其变化比较小的特点,建立了俯仰角与偏航角之间相互解耦的对准误差方程.提出了应用控制原理和数字滤波进行水平对准的两种方法,计算机仿真表明了这两种方法有效可行.与传统的卡尔曼滤波对准相比,本文的方法具有运算简单、计算量小和便于工程应用等优点.     

Integrated guidance and control for reusable launch vehicle in reentry phase

Nonlinear Dynamics - An integrated guidance and control scheme is developed for next generation of reusable launch vehicle (RLV) with the aim to improve the flexibility, safety and autonomy....     

航天器与运载火箭耦合分析相关技术研究进展

本文以载荷分析为主要内容, 概述航天飞行器结构动力学研究的一些进展. 首先介绍航箭(航天器/运载火箭简称为航箭) 耦合系统载荷分析基本思想. 然后介绍以下3 个方面的载荷分析方法: (1) 采用基础激励理论初始载荷分析的近似方法; (2) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统分支模态综合法. 导出采用约束模态质量界面加速度的航天器载荷计算方法; 当仅考虑静定约束特殊情况时, 退化的方程与Chen 采用有限元法导出的方程相同. 给出新航天器载荷瞬态分析技术, 即一个以前的航天器/运载耦合系统载荷结果可以用来获得相同运载火箭发射一个新航天器结构的必要的载荷信息. (3) 考虑航箭耦合影响的航天器/运载耦合系统模态综合法. 包括: 固定界面模态综合法, 以及航天器/运载耦合的界面综合动态响应计算新方法. 最后, 介绍验证载荷分析技术. 简要讨论验证技术的重要性, 提出了采用试验与理论相结合的结构动态试验仿真技术,该方法包括了一套修正数学模型的新技术, 称之为子结构试验建模综合技术. 该方法已应用于复杂的结构建模. 在进行CZ-2E 运载火箭实尺模态试验之前, 用建议的模态试验仿真技术给出CZ-2E 模态参数的预示结果, 并与随后获得的实际模态试验结果相比, 两个结果彼此之间高度一致. 这个结果证明了模态试验仿真技术已成功地预示了CZ-2E 运载火箭的模态参数, 验证了建议的模态试验仿真技术的可靠性. 讨论了振动台振动试验仿真技术. 介绍了振动台振动试验仿真的几个关键技术. 包括: 有限元模型修正技术, 40 t 振动台系统台面控制仿真方法和D 卫星振动台振动试验仿真.      

基于hp自适应伪谱法的组合动力可重复使用运载器轨迹优化

针对传统化学火箭难以重复使用、发射成本高的问题,提出了一种水平起飞/降落的新一代可重复使用运载器飞行方案,并对其动力模式设计和上升段轨迹优化方法等关键技术进行深入研究。设计了一种涡轮\冲压发动机结合火箭\冲压发动机的组合动力模式,建立了发动机推力与高度、马赫数等变量间的耦合模型,根据动力形式将上升段轨迹分为两段并采用全局搜索法确定动力切换的最佳时机。根据分段结果,分别以燃料最省和终端速度最大为指标,利用hp自适应伪谱法对两段进行轨迹优化设计。该算法基于双层策略求解最优控制问题,兼备伪谱法和有限元法的优点,与打靶法、伪谱法和间接法相比,初值更易选取,收敛速度更快。     

惯性平台稳定回路的自抗扰控制

讨论了惯性平台稳定回路自抗扰控制的设计问题。平台稳定系统要求响应速度快，抗干扰能力强，稳态精度高等优良特性。但这些性能指标之间是有矛盾的。采用经典的控制方法综合设计校正时，往往取折中的方案，很难兼顾所有的性能。仿真结果表明，用自抗扰控制方法设计控制规律，其稳定回路跟踪能力和抗干扰能力得到了较大的改善，提高了惯性稳定平台的可靠性和精度。     

自抗扰控制思想在动力调谐陀螺仪力平衡回路中的应用

提出了动力调谐陀螺力平衡回路的自抗扰控制方法(ADRC)。在计算机仿真的基础上搭建陀螺仪力平衡回路硬件电路，利用转台对动力调谐陀螺施加不同扰动，观察在大角度或大角速率等动态条件下ADRC控制技术对陀螺仪的控制效果。     

Airship horizontal trajectory tracking control based on Active Disturbance Rejection Control (ADRC)

Aiming at flight property of airship, a trajectory tracking controller of airship horizontal model is designed based on active disturbance rejection control (ADRC). The six Degree of Freedom (DOF) dynamic model of airship is simplified at a horizontal plane. ADRC is used to realize the decoupling control for the multivariable system. The uncertain items of the model and external disturbances are estimated by the extended state observer (ESO) and dynamic feedback compensation is carried on at real time. The disturbance of wind is added to the simulation environment. The simulation results show that the designed tracking controller can overcome the influences of uncertain items of the model and external disturbances, and track the desired trajectory rapidly and steadily, and possess good robustness and control performances.     

ANALYSIS OF FRICTION INDUCED VIBRATION UNDER THE ACTIVE DISTURBANCE REJECTION CONTROL FRAMEWORK 1)

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.     

自抗扰控制框架下的摩擦力振动分析

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.      

一种单级入轨火箭发动机概念──气动塞式喷管发动机

综述了研制新一代可重复使用的航天运载器推进系统的需求和目标,介绍了一种单级入轨的火箭发动机概念──气动塞式喷管发动机,并给出了有关气动塞发动机的概念分析、研究进展和工作展望．     

Finite time integral sliding mode control of hypersonic vehicles

This study investigates the tracking control problem for the longitudinal model of an airbreathing hypersonic vehicle (AHV) with external disturbances. By introducing finite time integral sliding mode manifolds, a novel finite time control method is designed for the longitudinal model of an AHV. This control method makes the velocity and altitude track the reference signals in finite time. Meanwhile, considering the large chattering phenomenon caused by high switching gains, an improved sliding mode control method based on nonlinear disturbance observer is proposed to reduce chattering. Through disturbance estimation for feedforward compensation, the improved sliding mode controller may take a smaller value for the switching gain without sacrificing disturbance rejection performance. Simulation results are provided to confirm the effectiveness of the proposed approach.