并联机器人模型参考变结构控制研究

为了抑制并联机器人建模中不确定性因素对系统性能的影响,采取了基于参考模型的变结构控制策略。以系统状态误差始终指向滑动模态且具有李雅普诺夫意义下渐近稳定的动态品质为目标设计控制量,抑制不确定性因素对系统性能的影响。通过对参考模型和滑动模态运动进行极点配置,使系统状态误差在状态空间中更快速地收敛于原点。实例将球面三自由度并联机器人用作跟踪飞行器姿态定位平台的执行机构,设计出跟踪偏差的检测方案。仿真结果表明,基于参考模型的变结构控制方法对系统的不确定性因素引起的参数变化及外界扰动具有较好的控制效果,在变结构不确定性控制量作用下,系统在0.6s后,姿态角跟踪误差控制到0.0001°的范围内。     

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。     

双臂空间机器人关节空间的补偿学习控制

在载体位置与姿态均不受控制情况下,结合动量(矩)守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程.采用PD控制的计算力矩法,得到了系统的闭环动态误差方程,在此基础上设计了针对不确定性的自由漂浮空间机器人的控制方案,提出了一种基于遗传算法的补偿学习控制方法.将补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用遗传算法的进化学习消除不确定因素的影响,实现机器人轨迹跟踪的良好控制.     

基于扰动观测器的AUV固定时间积分滑模控制方法

针对自主水下航行器（AUV）在参数不确定性和外界干扰下水平轨迹跟踪控制问题，提出一种基于扰动观测器的固定时间积分滑模控制方法。首先将参数不确定性和外界干扰视为复合扰动，设计固定时间扰动观测器对其进行估计。然后在反步法设计框架下，结合固定时间理论和全局积分滑模控制，设计了固定时间积分滑模控制器。轨迹跟踪仿真结果表明，相比于传统滑模控制器，所设计的扰动观测器和控制器可以使位置和姿态的跟踪误差收敛至零域的速度由5.2 s缩短至约2.5 s，并且在没有观测器的帮助下跟踪误差也能收敛至稳定，具有更快的收敛速度和更高的鲁棒性。     

基于扰动观测器的卫星姿态控制系统自适应有限时间容错控制

针对具有状态时变时滞、系统不确定性、可建模扰动、运行噪声和执行器故障的卫星姿态控制系统,提出一种基于扰动观测器的自适应有限时间复合主动容错控制策略。针对可建模扰动设计扰动观测器,然后基于扰动估计误差设计了主动容错控制器。该时滞依赖控制器包含反馈控制项、扰动补偿项和快速自适应故障补偿项。提出的容错控制策略不仅保证闭环系统动态方程的有限时间有界性,而且保证闭环测量输出对于系统不确定性、运行噪声、执行器故障等的鲁棒性。给出控制器增益限制矩阵存在的充分条件及其线性矩阵不等式形式,进而给出仿真算例。仿真结果表明,基于扰动观测器方法,设计的自适应有限时间容错控制器能够快速估计可建模扰动,进而有效地实现系统的闭环容错控制。相较于基于非复合的自适应有限容错控制器,提出的方法对于状态变量的估计均方根误差分别降低了28.9%、4.7%和36.0%;对于可建模扰动估计的均方根误差降低了38.8%。仿真验证了所提方法的有效性。     

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。     

基于相关滤波算法的全姿态加速度计寻北方案

加速度计寻北仪由于其角速度测量原理采用的是动态测试方案.考虑到采用数据拟合的方法处理动态测试数据去噪效果不强,而相关滤波算法作为一种专门在动态测试中应用的相位检测算法,对随机噪声和谐波噪声都有很强的抑制作用,提出了利用相关滤波算法进行信号去噪并提取北向角信息的思想;在此基础上,通过分析平台姿态角与寻北角之间的解析关系,推导了可以消除姿态影响的姿态补偿算法,该算法需要再增加两个加速度计敏感姿态角.仿真结果显示,相关滤波算法对加速度计中的各类噪声有很好的抑制作用,而经过姿态补偿改进后的相关滤波算法,消除了姿态角造成的原理性寻北误差,可以实现全姿态加速度计寻北,最终的等效调平误差仅为仪表误差所引起.     

抑制线振动台扰动的鲁棒自适应重复控制

针对线振动台系统中存在的非线性动态摩擦力及周期性纹波推力扰动,为获得线振动台较高的跟踪精度及鲁棒性能,提出了鲁棒自适应重复控制方法.该方法的控制律包含参数自适应控制、等效PID控制、重复空制和滑模控制.滑模控制用来镇定不确定性系统和保证自适应重复学习过程收敛,参数自适应律用来估计未知模型参数并予以补偿,重复控制用来抑制周期性扰动,提高周期性位置信号的跟踪性能.Lyapunov理论证明该控制律保证了闭环系统渐近稳定性.通过对线振动台系统仿真研究表明该控制律的有效性.     

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.     

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.      

三轴仿真转台外框电液位置伺服系统自适应神经元网络控制

本文针对三轴飞行姿态仿真转台外框电液位置伺服系统的特点和技术要求，采用自适应神经元网络控制策略对其控制。仿真结果表明，自适应神经元网络控制以其特有的自学习、非线性等优点，完全满足三轴飞行姿态仿真转台外框电液伺服系统对控制策略的要求，由其构成的控制系统既具有良好的动态性能，又具有较强的鲁棒性与适应性。     

航天器有限时间自适应容错姿态控制

针对存在执行器故障、转动惯量偏差以及外部扰动等系统不确定性的航天器姿态跟踪问题,提出一种有限时间自适应容错姿态控制方法。建立基于四元数的航天器姿态动力学模型、执行器故障模型和系统不确定性模型,并将执行器故障分为乘性故障和加性故障两大类;利用滑模控制和有限时间控制理论设计有限时间姿态控制器,并通过设计自适应变量及更新方法对执行器故障以及系统不确定性引起的控制偏差上界进行估计和补偿,使姿态控制器对故障和扰动具有良好的适应性和鲁棒性。得到的新型有限时间自适应容错姿态控制器能够保证航天器在执行器故障以及系统不确定性条件下在有限时间内精确收敛到期望值。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的渐进稳定性和有限时间稳定性,数值仿真验证了所提出方法的可行性和有效性。     

高速、高动态下的捷联惯导空中粗对准方法

针对空中高速、高动态飞行条件下的捷联惯导系统初始对准问题,提出了一种对飞行动态过程和飞行平稳性不加限制的条件下,获得初始的位置、速度和姿态信息的粗对准方法,推导了利用GPS所测速度与惯性测量组件比力输出,通过惯性比力方程求解飞行载体姿态的粗对准方法,分析了影响对准性能的因素,并研制了对准仿真验证系统,通过设定航迹的计算机仿真,以及采用实测飞行数据的半物理仿真验证了该方法的有效性与精度.仿真验证结果表明,本对准方法可在载体任意动态过程进行初始对准,在对准精度与快速性方面均可满足高速、高动态下捷联惯导系统的粗对准精度要求.     

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

基于视觉测量与神经网络的工业机器人位姿补偿

为提高六轴工业机器人的绝对定位精度，本文提出了一种利用视觉测量数据通过ELM(Extreme Learning Machine)神经网络实现机器人位姿补偿的新方法．利用固定在机器人末端的手眼相机获取机器人的末端位姿，并借助ELM实现机器人末端执行器从目标位姿到预测指令位姿之间映射，用修正转角代替原转角使机器人末端执行器运行至修正位姿，实现补偿．特别的是，对于使用的ELM，以网络预测均方误差为指标定量选取了网络的最佳参数．相比之前的方法，本文提出的算法具有能够同时高精度补偿姿态角及位置误差的显著优点．为验证该位姿误差补偿方法的有效性，本文进行了实验验证．结果表明，相比较于未补偿前的机器人末端位姿误差，经该方法补偿后的位姿误差被稳定控制在较低水平，平均位置误差降低89.1 %；平均姿态角误差降低96.8 %．除此以外，位置误差与姿态角误差的标准差也分别降低了85.66 %和93.24 %．     

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.     

空间机械臂关节轨迹跟踪的自适应反演滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,具有外部扰动与参数不确定的自由漂浮空间机械臂系统关节空间轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系及拉格朗日方法,建立了自由漂浮空间机械臂的系统动力学方程.针对外部扰动与参数不确定的情况,提出一种自适应反演滑模控制方案.此控制方案无需要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系;同时,它可保证系统具有全局意义下的渐近稳定性.数值仿真结果证实了该控制方案可有效地消除外部扰动与参数不确定对系统的影响,控制空间机械臂系统各关节按关节空间内的期望轨迹进行运动.     

航天器编队系统相对位置自适应分布式控制

针对具有参数不确定性以及外部扰动的航天器编队飞行队形跟踪控制问题,基于反步控制策略提出了一种能够实现控制有界的自适应编队控制方法。首先建立航天器相对运动的非线性动力学方程,在不考虑外部干扰情况下,利用饱和函数设计了输入有界的自适应协同控制器;之后进一步考虑存在外部干扰的情况,通过估计扰动上界设计了鲁棒自适应协同控制器,并且采用Lyapunov稳定性分析方法证明了控制系统的稳定性。数值仿真结果表明,提出的控制方法能够满足控制受限并实现航天器队形的协同控制,同时在大约100 s误差收敛到0附近,队形跟踪和队形保持的稳态误差分别小于0.002 m和0.005 m。     

机械轴承控制系统中的摩擦补偿

摩擦是机械轴承控制系统中最主要的扰动因素,也是影响系统低速跟踪性能的最主要因素。针对系统中动态摩擦力矩的影响,为了进一步提高系统的位置跟踪性能,提出一种重复自适应控制方法。该方法的控制律包含一个参数自适应律、等效PD控制律和一个重复控制律,其中,参数自适应律用来估计未知模型参数并予以补偿,而插入的重复控制器用来提高系统运行曲线的跟踪性能。系统中摩擦模型采用摩擦参数非一致性变化的LuGre动态模型。Lyapunov方法证明该补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐近跟踪。最后,通过对控制系统的仿真研究验证了所提出方法的有效性。     

基于博弈论的鲁棒滤波器应用于GPS/INS组合系统的设计研究

考虑了组合导航系统中的不确定噪声问题；根据博弈理论与最优控制理论，提出一种能够在具有不确定噪声干扰中最小化滤波误差的极小极大值鲁棒滤波器。通过设计—种高动态的飞行轨迹进行仿真研究，发现在不确定噪声干扰下该算法具有比标准卡尔曼滤波器更高的精度。