基于级联滑模控制的高精度光电跟踪与捕获

为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能,提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律,在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象;基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制,以提高系统的动态响应性能和鲁棒性,提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后,以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象,进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明,相比于传统级联PI控制,捕获速度为1(°)/s的目标时,级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%;跟踪等效最大速度为4(°)/s和最大加速度为2(°)/s 2的正弦引导信号,可将跟踪误差RMS值减小31%,采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

超声电机驱动的CMG框架系统滑模控制

针对超声电机驱动的控制力矩陀螺框架伺服系统具有强非线性、参数摄动和多源扰动力矩等问题,在系统建模和分析的基础上,采用了一种混合积分滑模变结构控制器,在保证框架速度控制快速响应的同时,提高了系统在多源强耦合扰动力矩下的鲁棒性。针对滑模抖振问题,引入了一种滑模观测器补偿框架系统的多源扰动力矩,减小系统不确定项的影响,进而减小滑模切换增益,达到抑制抖振的目的。仿真和实验结果表明,提出的控制力矩陀螺框架速度控制策略可有效抑制滑模控制系统的抖振现象,在多源扰动力矩的影响下,框架系统具有较强的鲁棒性。     

干扰观测器与滑模控制结合的机械臂跟踪控制

为了提高机械臂轨迹跟踪的精度和速度,提出了干扰观测器与非线性滑模控制相结合的轨迹跟踪控制方法.建立了机械臂动力学模型,设计了机械臂轨迹跟踪控制方案.将机械臂受到的扰动分为可观测部分和不可观测部分,对于可观测部分,设计了干扰观测器用于估计扰动大小,依据扰动观测值对控制力矩进行补偿,主动消除可观测部分扰动的影响;对于不可观测部分,设计了非线性滑模控制器,用于减小不可观测扰动造成的跟踪误差与抖动.经仿真验证,与传统滑模控制和非线性滑模控制相比,干扰观测器与非线性滑模控制相结合的轨迹跟踪误差减小了一个数量级以上,且跟踪速度最快.     

基于干扰观测器的双框架变速率控制力矩陀螺解耦控制

双框架变速率控制力矩陀螺(Double-gimbaled variable-speed control moment gyroscope,DGVSCMG)是航天器重要姿态执行机构。它由内外框架速率伺服系统和转速可变的高速转子组成,有飞轮和控制力矩陀螺(Control moment gyroscope,CMG)两种工作模式。在两种工作模式下,框架伺服系统都会受到不匹配干扰,降低速率伺服性能,影响DGVSCMG的输出力矩精度,需要加以抑制。为了提高框架系统抗扰性能,并保证系统角速率伺服精度,提出一种基于干扰观测器(Disturbance observer,DO)与状态反馈的解耦控制方法。在对DGVSCMG框架系统的不匹配扰动建模与分析的基础上,利用鲁棒控制思想设计控制器与干扰观测器参数,并对全局系统进行了稳定性分析。仿真和试验结果表明,所提出的方法可有效抑制双框架伺服系统干扰,并满足DGVSCMG框架系统的性能要求。     

基于干扰观测器的液压位置伺服系统级联控制

级联控制策略被应用于液压伺服系统位置控制,以提高系统输出响应性能。为了抑制液压伺服系统中各种不确定的非线性因素和外部干扰,提出了基于干扰观测器的终端滑模控制与非线性补偿相结合的级联控制策略,利用Lyapunov稳定性理论证明了位置闭环系统在有限时间内收敛。与渐近收敛控制器不同,级联控制器保证了系统状态误差和观测器估计误差在有限的时间收敛到0。利用MATLAB/Simulink对设计的控制器进行了仿真验证,结果验证了提出的控制器的理论可行性。为了模拟外界未知干扰,在液压伺服系统基础上加入阻尼可调减震器,以此开展实验研究。结果表明：提出的控制器有效抑制未知干扰影响,且提高了液压伺服系统的跟踪精度。     

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。     

基于terminal滑模控制的小卫星机动方法

采用terminal滑模控制方法研究了以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的小卫星的姿态机动控制。首先,基于修正罗德里格斯(MRP)参数建立了小卫星数学模型,以terminal滑模控制方法进行控制力矩规划。然后,采用SGCMGs作为小卫星执行机构,以非对角奇异鲁棒操纵律跟踪terminal滑模控制产生的期望力矩;通过仿真分析归纳出terminal滑模控制设计参数的变化规律和选取原则。最后,利用小卫星三轴气浮转台实验验证termianl滑模控制方法的实用性。实验显示:根据参数选取原则设定的参数进行小卫星机动稳定实验得到的姿态角和姿态角速度控制精度和稳态误差分别小于0.1°和0.01(°)/s,满足三轴气浮转台最佳控制精度。结果表明terminal滑模控制方法在小卫星机动稳定任务中具有很高的控制精度和稳定度,能够为小卫星成像任务稳定执行提供良好的基础。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

神经网络非线性智能控制在光电跟踪系统中的应用

针对伺服系统中非线性力矩干扰导致光束跟踪性能下降的问题,采用神经网络算法实现光电跟踪系统的非线性控制。分析了径向基函数神经网络监督控制算法应用于光电跟踪系统的优势,设计了光束跟踪实验,数据显示神经网络能够智能输出非线性控制量抑制摩擦力矩干扰,提高光束跟踪性能,对幅度3°、频率在1Hz以内的光束扰动抑制比达到-28~-51dB,比初始未优化的PID控制提高15dB以上。实验结果表明,神经网络算法可以自动建立反馈量与控制量的非线性映射,适用于复杂系统的非线性控制。     

采用滑模观测器的机械臂故障检测与控制优化

针对复合干扰影响下机械臂的故障检测和控制精度问题,提出了一种基于滑模观测器的故障检测和控制优化方法。首先建立了带有电机故障、模型误差和机械摩擦等复合干扰的机械臂系统故障模型,然后设计了滑模观测器来实现在复合干扰下对电机故障的准确检测,最后引入滑模观测器对电机故障程度进行估计,并设计了反步容错控制方法,从而实现了对机械臂系统的精确控制。仿真结果表明,基于滑模观测器的故障检测和控制优化方法能够快速、准确检测和估计电机故障,确保机械臂系统准确跟踪指令信号,角度跟踪误差范围仅为-0.2°～0.2°,能够准确估计出复合干扰的大小,估计误差范围仅为-0.1～0.1 (°)/s²,大大改善了对机械臂的控制效果。     

考虑安装基座影响的光电平台等价捷联惯性稳定控制

采用陀螺仪直接测量光电平台内部载荷的惯性角速度构建反馈,可以在运动载体上控制视轴惯性角速度,实现稳定成像。陀螺捷联惯性稳定控制能够构建前馈,有效提高系统带宽、减小控制误差,但对陀螺安装位置有要求。本文提出了在陀螺直接反馈的机械安装条件下等价捷联稳定的控制方法,并考虑平台基座约束条件建立了动力学模型。该模型显露了光电平台基座安装刚度引入的谐振问题。针对被控对象中的一对谐振和反谐振环节,基于稳定的零极点对消设计滤波器消除谐振。综合利用陀螺直接测量的框架惯性角速度和编码器测量的机械框架相对转角构建等价捷联惯性稳定回路。在等价捷联惯性稳定回路中,采用内回路干扰抑制结合基于逆模型前馈的复合控制方法,有效拓展控制带宽,提高对指令的跟踪精度和对载体姿态晃动的隔离性能。仿真和实验结果表明:该方法有效抑制了安装基座弹性约束力矩的谐振,且与陀螺直接反馈控制相比性能更优。对幅值为1(°)/s、频率为1 Hz的典型正弦角速度指令进行跟踪,均方根误差由1.75(°)/s减小到0.23(°)/s,在1 Hz处扰动隔离度由18%减小到2%。     

Disturbance observer-based backstepping sliding mode fault-tolerant control for the hydro-turbine governing system with dead-zone input

This paper investigates a backstepping sliding mode fault-tolerant tracking control problem for a hydro-turbine governing system with consideration of external disturbances, actuator faults and dead-zone input. To reduce the effects of the unknown random disturbances, the nonlinear disturbance observer is designed to identify and estimate the disturbance term. To drastically decrease the complexity of stability functions selection and controller design, the recursive processes of the backstepping technique are employed. Additionally, based on the nonlinear disturbance observer and the backstepping technique, the sliding mode fault-tolerant tracking control approach is developed for the hydro-turbine governing system (HTGS). The stability of HTGS is rigorously demonstrated through Lyapunov analysis which is capable to satisfy a tracking control performance. Finally, comprehensive simulation results are presented to illustrate the effectiveness and superiority of the proposed control scheme.     

基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。     

基于干扰观测器的时滞非线性切换系统滑模控制方法

为实现更加精准的时滞非线性切换系统滑模控制,应用干扰观测器设计一种新的系统滑模控制方法。构建时滞非线性切换系统模型,针对系统在发生结构变化时会产生复合干扰变化的情况,设计了一种非线性切换干扰观测器,实施系统不连续干扰的估计。通过 Backstepping 方法结合干扰观测器,设计一种切换滑模控制器,依据标量非线性特性打造一个滑模面,通过滑模控制器算法使时滞非线性切换系统能够满足滑模面的实际可达性条件,完成切换滑模控制器设计,实现系统的滑模控制。对设计的滑模控制方法进行测试,实验中选择的时滞非线性切换系统为一种变后掠翼 NSV 。实验结果表明,该设计方法能够实现较为准确地切入信号跟踪,表现出了很好的切换复合干扰估计性能。     

基于分段弧形永磁同步电机的4m望远镜控制系统

为了满足4 m望远镜控制系统的驱动能力和跟踪精度要求,本文介绍了基于分段弧形永磁同步电机的望远镜伺服控制系统设计方法。首先,介绍了基于分段弧形永磁同步电机的控制系统组成;其次,给出了望远镜伺服系统的控制模型辨识方法;然后,为了实现望远镜大角度调转和小角度阶跃过程中,系统位置响应快速、无超调,设计了基于系统最大速度和加速度信息的位置指令整形算法;最后,介绍了望远镜控制系统的位置和速度控制策略,并进行了望远镜的跟踪控制实验。实验结果显示,当望远镜进行10°的大位置调转和0.2°的小位置阶跃时,伺服系统能够快速、无振荡地到达指定位置;望远镜在10 (°)/s速度和3 (°)/s^2加速度条件下的正弦引导误差最大值为2.636″,稳态误差RMS值为0.673″。实验结果表明,所设计的基于分段弧形永磁同步电机的伺服控制系统能够满足4 m望远镜驱动和跟踪精度的要求,为下一代大口径望远镜控制系统的设计提供了参考。     

电液驱动水下发射筒开关盖装置高精度跟踪控制方法

发射筒盖是潜射导弹发射装置的重要组成部分,目前主要采用调速阀进行开关盖速度控制,由于其无法保证动作精度,制约了系统的进一步发展。为提高开关盖过程的速度控制精度,以伺服阀代替调速阀进行开关盖动作控制;以开关盖装置为被控对象,设计高增益观测器观测系统状态量,抑制非线性对系统精度的影响,结合滑模控制器进行自适应控制,并将提出的控制算法分别应用于两种控制阀组。实验表明,开关盖装置结合伺服阀可实现更好的控制效果,采用高增益观测器的滑模控制速度跟踪效果较传统PID控制提升30%。     

Finite-time fault tolerant attitude stabilization control for rigid spacecraft

A sliding mode based finite-time control scheme is presented to address the problem of attitude stabilization for rigid spacecraft in the presence of actuator fault and external disturbances. More specifically, a nonlinear observer is first proposed to reconstruct the amplitude of actuator faults and external disturbances. It is proved that precise reconstruction with zero observer error is achieved in finite time. Then, together with the system states, the reconstructed information is used to synthesize a nonsingular terminal sliding mode attitude controller. The attitude and the angular velocity are asymptotically governed to zero with finite-time convergence. A numerical example is presented to demonstrate the effectiveness of the proposed scheme.