星载并联平台自抗扰振动控制研究

在空间任务过程中为了减少振动对星载精密载荷的影响,需要在精密载荷和卫星本体的传递路径中加入隔振装置．本文旨在设计一种用于敏感载荷振动主动控制的六自由度并联平台．首先利用Newton-Euler法建立并联平台的动力学模型,然后基于自抗扰控制策略进行主动振动控制器的设计,接着对控制器的有效性进行数值仿真分析,并与PID (Proportion-Integration-Differentiation)控制算法作比较．结果表明,基于自抗扰控制策略的隔振系统能够有效抑制敏感载荷的振动,并且控制效果优于PID控制．此外当结构参数存在较大摄动范围时,该控制策略仍具有较强的鲁棒性．     

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。     

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.      

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.     

自抗扰控制在惯性导航系统初始对准中的应用

针对惯性导航系统初始对准问题,提出并设计了把自抗优控制技术用于惯导系统初始对准的方案,并进行了计算机仿真。结果表明,该系统具有鲁棒性好,对准时间短、精度高等特点,是一种理想的应用于实际惯导系统中的初始对准方案。     

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。     

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。     

四旋翼无人机模糊自抗扰姿态控制及稳定性分析

针对四旋翼无人机姿态控制问题,设计了一种基于模糊自抗扰控制的四旋翼姿态控制器。分析了四旋翼无人机的动力学模型,给出了基于模糊自抗扰控制算法的姿态控制方案,并设计了对应的模糊自抗扰控制算法的扩张状态观测器和模糊状态误差反馈控制器。通过稳定性分析,得出了扩张状态观测器估计误差是有界的,同时给出了反馈误差稳定的充分条件。仿真结果表明,所设计的模糊自抗扰控制器,同经典自抗扰控制器相比,系统平均超调量减小约75%,降低了扰动造成的输出波动幅值约30%,表明该控制系统提高了系统稳定性和对干扰抑制能力,满足对四旋翼姿态控制要求。     

基于改进自抗扰算法的直升机锁尾控制系统设计

为了提升小型无人直升机的航向运动的动态特性与工况适应性,基于自抗扰控制方法(ADRC)提出了一种适用于小型无人直升机的锁尾控制器。通过实时递推遗忘因子最小二乘估计器对直升机航向轴的执行放大系数进行了参数辨识。根据辨识结果,构造了以直升机主旋翼转速作为自变量的执行放大系数解析表达式,用于在线计算不同工况下的执行放大系数。该表达式作为对标准ADRC控制结构的补充与改进,可提高ADRC控制器的工况适应性。以一550级别电动直升机为试验机型进行了试验验证。改进的ADRC控制器相比传统PID控制器,阶跃响应过渡时间缩短约40%,且能在更宽的主旋翼转速范围内保持稳定。试验结果表明改进的ADRC控制器在动态性能和工况适应性等方面较传统PID控制器和标准ADRC控制器更具优势。     

自抗扰控制技术在捷联惯导动基座初始对准中的应用研究

提出并设计了应用自抗扰控制技术(ADRC)的捷联惯性系统动基座初始对准方案。通过数字仿真，将卡尔曼滤波与自抗扰控制的性能进行了详细的比较，证明该方法具有对准时间快，精度高，抗干扰能力强等特点。     

惯性平台稳定回路单神经元自校正PID控制

为了与新型高精度惯性平台相匹配,解决传统PID控制的稳定回路抗干扰性能不高的问题,利用神经网络具有自学习、自组织、联想记忆和并行处理等功能以及对于复杂系统控制可以达到满意效果的优势,设计了单神经元自校正PID控制器。这种控制器不但结构简单,而且适应环境变化,有较强的鲁棒性。设计中分别采用了无监督和有监督的Hebb学习算法以及改进的Hebb学习算法对系统进行控制。MATLAB仿真结果表明,单神经元自校正PID控制器在很多指标上均优于传统PID控制器,特别是其超调量,动态性能以及对干扰的抑制能力,是一种应用在实际平台系统中理想的控制器。     

泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解

自然界与工程中都普遍存在着随机扰动,且大多数呈现出固有的非高斯性质,若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差.泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型,已引起了广泛的关注.目前,泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究,而针对瞬态响应的求解难度仍较大,需进一步发展.本文引入径向基神经网络,提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法.首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK)方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络;然后采用有限差分法离散时间导数项,并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数;最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数.作为算例,探究了两个经典强非线性系统,并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证.结果表明:本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好,并且算法具备较高的计算效率.在系统响应的整个演化过程中,本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征.此外,本文方法所获得的高精度半解析瞬态解,不仅可作为基准解检验其...