有向图中模块化航天器系统相对轨道的自适应分布式一致性

基于多智能体系统一致性理论,对模块化航天器相对轨道的分布式一致性问题进行了研究.各模块之间的信息交互拓扑结构为更具一般性的有向图.当存在模块质量不确定性的情形下,设计了仅依赖模块自身及其邻近模块信息且无需模块间相对速度信息的自适应控制算法.针对模型中存在外部干扰的情形,通过引入带有时变自适应参数的变结构控制项,实现了对未知上界干扰的补偿,并且证明了闭环系统是渐近稳定的.此外,本文所设计的算法具有分布式的特点,不会因为模块数量的增多而增加所提算法的复杂度.最后对6个模块组成的模块化航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的控制律是有效可行的.     

未知时变惯量航天器自适应姿态跟踪容错控制

针对存在未知时变惯量不确定性、执行机构衰退故障和外部干扰力矩的非刚体航天器系统,研究了航天器自适应姿态跟踪容错控制问题,结合非线性鲁棒控制方法、自适应方法、容错控制理论和参数估计方法,提出了一种鲁棒自适应姿态跟踪容错控制器。所设计的控制器克服了执行器故障、惯量不确定性以及外界干扰对系统稳定性的影响,保证了航天器姿态及角速度能够跟踪上时变的期望状态,实现了跟踪误差系统最终一致有界稳定。最后通过数字仿真验证了所提方法的有效性,并且与已有方法进行了对比,说明了所提方法的优越性。     

多星系统相对轨道的自适应协同控制

基于一致性理论,在无向拓扑结构上对多星系统相对轨道的协同控制问题进行了研究.本文考虑近地卫星相对轨道的非线性方程,首先设计控制律使得多星系统形成目标队形,并给出了速度阻尼和通信拓扑(相对速度间的拓扑关系)连通性之间的关系;其次,针对卫星质量具有不确定性的情形,设计了新的辅助变量,提出了自适应的协同控制律,这里要求传感(相对位置间的拓扑关系)和通信具有相同的拓扑结构.最后对4颗卫星的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的协同控制律是有效可行的.     

航天器近距离相对轨道的滑模控制

基于滑模控制原理,研究了近距离追踪航天器与目标航天器交会对接时,相对运动轨道的控制问题.首先,建立非线性航天器相对运动模型;其次,利用滑模控制原理和分数阶导数的相关性质,设计了整数阶PD控制器和分数阶PD~α控制器;最后,分别运用整数阶和分数阶控制器对未扰和受扰系统实施控制.数值仿真结果表明,整数阶与分数阶控制器均能实现对未扰和受扰系统的控制,验证了方法的有效性.同时发现,在时效性上,分数阶控制器明显优于整数阶控制器;在能效性上,达到相同控制目标时,分数阶控制器的能量消耗大于整数阶控制器.     

根据相对位置测量信息自主确定两个航天器的轨道

已设计并分析了一种根据一个航天器与另一个航天器的相对位置失量测量信息自主确定两个航天器轨道的批处理滤波器。该系统对那些无法依赖GPS星座导航信号或地面站确定轨道的系统提供了一种高精度自主确定轨道的手段。该滤波器要利用惯性基准相对位置矢量的时间序列以及两个航天器的轨道动力学模型。它可以估算两个航天器的6个轨道状态矢量以及每个航天器的阻力系。该系统的可观性已利用这种原理演示过,此外,还针对多种情况估计了滤波器最佳状态可达到的位置精度。在特定配置下该滤波器器的位置精度可达到1m(rms)的水平。     

具有未知输入干扰的补偿控制

针对系统存在干扰波形已知但干扰幅值未知或幅值无界的一类外界干扰,提出了一种实现干扰补偿的控制策略,并给出了具体的设计过程。通过对原系统构造一个新的系统输出并为其设计状态观测器,进而实现对状态和干扰的同时估计。此外,并将干扰的估计信息引入到控制律当中,从而实现系统对外界干扰的补偿控制,保证系统状态有界。仿真结果验证了这一控制方法的有效性。     

基于未知控制增益的非线性系统自适应迭代反馈控制(英文)

针对一类单输入单输出不确定非线性重复跟踪系统, 提出一种基于完全未知控制增益的自适应迭代反馈控制. 与普通迭代学习控制需要学习增益稳定性前提条件不同, 所提自适应迭代反馈控制律通过不断修改Nuss baum形式的反馈增益达到收敛. 证明当迭代次数i→δ时, 重复跟踪误差可一致收敛到任意小界δ. 仿真显示了所提控制方法的有效性.     

与轨道校正相协调的航天器重新定向的优化控制

本文研究航天器运动控制的姿态定向模式与轨道校正模式的优化协调问题,既研究了解决该问题的一般方法,又具体提出了航天器的旋转及轨道运动的协调控制问题,文中给出了空间站适用的与轨道校正相协调进行的航天器姿态重新定向控制的具体算法,表明了航天器姿态定向与轨道高度保持协调控制有高效率,列举了两种发动机安装模式的数学仿真实例,给出了效率指数的评估值以及旋转次数确定时算出的校正速度值。     

多航天器相对轨道与姿态耦合分布式自适应协同控制

基于一致性理论,在有向通讯拓扑结构下对多航天器系统相对轨道及姿态的耦合协同控制问题进行了研究.本文考虑近地航天器相对轨道的非线性方程以及用罗德里格参数描述的航天器姿态运动方程,建立了考虑控制输入耦合的六自由度航天器运动模型.在仅有部分跟随航天器可获取参考状态(记为领航航天器)的情形下,针对航天器存在未建模动态以及外部环境干扰等问题,提出了一种基于切比雪夫神经网络(Chebyshev neural networks,CNN)的自适应增益控制律,使得各跟随航天器在轨道交会的同时姿态保持一致.因为每个航天器上的控制算法仅依赖其自身及相邻航天器的信息,因此控制算法是分布式的.同时考虑到航天器之间的相对速度及相对角速度难以测量,提出了无需相对速度及角速度信息的分布式自适应协同控制律使得各航天器保持一定的队形且具有期望的相对指向.最后对6颗航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的分布式自适应协同控制律是有效可行的.     

控制方向未知的全状态约束非线性系统的鲁棒自适应跟踪控制

针对一类控制方向未知的含有时变不确定参数和未知时变有界扰动的全状态约束非线性系统,本文提出了一种基于障碍Lyapunov函数的反步自适应控制方法.障碍Lyapunov函数保证了系统状态在运行过程中始终保持在约束区间内;Nussbaum型函数的引入解决了系统控制方向未知的问题;光滑投影算法确保了不确定时变参数的有界性.障碍Lyapunov函数、Nussbaum型函数及光滑投影算法与反步自适应方法的有效结合首次解决了控制方向未知的全状态约束非线性系统的跟踪控制问题.所设计的自适应鲁棒控制器能在满足状态约束的前提下确保闭环系统的所有信号有界.通过恰当地选取设计参数,系统的跟踪误差将收敛于0的任意小的邻域内.仿真结果表明了控制方案的可行性.     

基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制

针对带有海浪干扰和参数不确定的SWATH船运动控制问题, 提出基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制. 首先对SWATH船运动进行建模、参数求解和海浪干扰仿真; 然后根据运动模型设计非线性预测控制律, 对SWATH 船升沉和纵摇进行控制, 同时利用干扰观测器对海浪干扰进行观测, 并从理论上证明了所设计的控制器可以保证SWATH 船运动的稳定性. 仿真结果表明, 所设计的控制器提高了SWATH船运动控制效果, 且能对海浪干扰进行抑制.

     

Markov 系统矩阵未知情况下的控制器设计

针对Markov 系统矩阵参数未知的实际情况, 提出一种基于状态反馈控制与自适应控制相结合的控制方法. 基于线性矩阵不等式技术给出相应控制器参数的求解条件. 与现有大多数自适应控制方法相比, 所提方法不仅使估计误差几乎处处有界, 而且原系统的系统状态几乎处处渐近稳定, 具有较好的收敛特性. 在所得结果的基础上, 进一步讨论了转移速率部分未知时的相关控制问题. 数值算例验证了所提出的设计方法的有效性.

     

输入饱和受限下的刚体飞行器姿态系统的有限时间镇定

研究存在输入饱和受限下的飞行器姿态控制问题, 提出一种有限时间姿态镇定方案. 针对基于修改的Rodriguez 参数模型的飞行器姿态控制系统, 基于齐次性理论和饱和控制器设计方法, 并充分利用系统的模型结构特征, 设计一类饱和的有限时间姿态控制器, 使得姿态可以在有限时间内被镇定到平衡点. 仿真结果验证了所设计姿态控制器的有效性.

     

欠驱动航天器相对运动的姿轨耦合控制

针对欠驱动的非对称航天器设计六自由度相对运动的姿轨耦合控制器.首先,给出用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型;然后,基于矩阵广义逆和空控制向量提出广义的滑模控制器,以实现相对姿态欠驱动控制的渐近稳定;最后,考虑姿轨耦合特性,利用高斯伪谱法和非线性规划得到相对轨道运动能量最省的轨迹,进而利用滑模变结构控制实现对该轨迹的跟踪.仿真结果表明,所提出的方法是有效和可行的,而且较其他方法消耗的能量更少.     

基于力/力矩信息的面向位控机器人的阻抗控制

为了克服末端接触点距离力传感器中心较远时,力传感器测量实际接触力的局限性,分析实际作用力与测量力/力矩值之间的关系,利用力传感器信息或力矩信息得到位置控制方向和力控制方向.根据位控与力控方向对机器人末端进行参考轨迹规划,在阻抗控制律中应用参考比例因子调节参考轨迹.基于力误差信息通过模糊推理调节参考比例因子的大小,使生成的参考轨迹适应未知表面的变化.实验结果表明,所提出的控制方法能实现未知工件表面的恒力跟踪.     

一类非完整移动机器人编队控制方法

针对大部分两轮非完整移动机器人轮轴中心与几何中心不重合的特点, 提出一种多机器人协调编队控制算法. 构造队形参数矩阵确定编队形状, 根据领航机器人和相关队形参数生成虚拟机器人, 把编队控制分解为跟随机器人对虚拟机器人的轨迹跟踪. 建立虚拟机器人与跟随机器人之间误差系统模型, 利用Lyapunov 理论设计相应控制器, 从而实现队形保持和变换. 应用microsoft robotics developer studio 4(MRDS4) 搭建3D 仿真平台, 设计3 组实验, 结果进一步验证了所提出方法的有效性.

     

具有状态参数约束的鲁棒自适应最优控制设计

在传统Backstepping鲁棒自适应设计中,虚拟控制函数的设计参数缺乏约束,对此,采用新的设计方法得到了新坐标系下的系统模型和参数替换律,结合直接反馈线性化和最优控制策略,最终给出了具有参数约束的非线性鲁棒自适应最优控制的设计方法.以具体励磁系统参数为例进行仿真实验研究,所得结果表明,该鲁棒自适应控制方法可以实现状态参数的最优约束,并能有效控制状态参数的收敛速度.     

轨迹跟踪级联机器人编队控制方法

提出一种轨迹跟踪级联机器人编队控制方法. 该方法有效结合距离-角度(??-??) 控制和距离-距离(??-??) 控制方案, 并利用无迹卡尔曼滤波算法对Leader-Follower 级联机器人系统的状态进行估计; 根据状态估计结果设计输入-输出动态反馈控制规律, 使得跟随机器人(Follower) 准确跟踪领航机器人(Leader), 确保编队的稳定性和较快的收敛性, 并达到理想的编队控制效果. 仿真实验验证了所提出方法的可行性.

     

基于高增益观测技术的高精度感应电机磁链观测器研究

针对感应电机磁链观测的一般方法具有观测精度不高、使用的电机参数多、易受影响等问题,利用非线性微分同胚变换对感应电机强耦合非线性系统进行转化,提出一种基于高增益观测技术的感应电机磁链观测器.该观测器不需要满足状态能观的条件且计算量小,通过调节增益能够达到任意精度误差.对非线性规范型的高增益观测器进行了稳定性分析,证明了收敛性.仿真和实验结果验证了该观测器的高观测精度和所提方法的可行性和有效性.