四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法

针对四旋翼飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题,本文提出一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法.在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础上,设计了扩张状态观测器对内扰和外扰进行估计并实时补偿,能够很好地克服飞行器的强耦合性、模型不确定性以及风速变化等外部干扰问题.此外本文还设计了非线性状态误差反馈控制律来有效抑制跟踪误差.在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验,并与串级PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,本文所设计的自抗扰控制器不仅能够很好地估计并补偿系统所受内外部干扰,而且对四旋翼飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒性,能够满足飞行器姿态调节快速和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于串级PID控制器.     

控制力矩陀螺框架伺服系统期望补偿自适应鲁棒控制

本文针对控制力矩陀螺框架伺服系统中存在的参数不确定性、摩擦非线性及外部干扰问题,提出了一种考虑LuGre摩擦的自适应鲁棒控制方法.针对陀螺框架伺服系统未知惯量和阻尼系数、LuGre摩擦参数不确定性及未知外部干扰上界,设计参数更新律对其进行估计.在此基础上,为提高系统对不确定参数及未知干扰的鲁棒性,设计带有期望补偿的自适应鲁棒控制器,可实现对LuGre摩擦非线性的精确补偿,同时减小测量信号噪声及外部干扰对系统的不利影响.应用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的稳定性.对挠性航天器姿态机动控制的仿真结果,验证了所提方法的有效性.     

航天器姿态自抗扰控制

为抑制航天器自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定度的影响, 设计了航天器姿态自抗扰控制器. 自抗扰控制器(ADRC)由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和姿态反馈控制器(AFC)3部分组成.跟踪微分器负责安排姿态指令过渡过程, 并提取其微分信号. 扩张状态观测器(ESO)充分利用姿态敏感器与速率陀螺的量测信息, 可对航天器姿态及内部和外部干扰进行观测. 姿态反馈控制器则在补偿ESO估计的干扰的同时,实现航天器的姿态控制. 与已有研究相比, 扩张状态观测器采用复合量测信息对状态估计进行校正, 性能较好. 而自抗扰控制器只采用一个环路即可实现姿态控制及干扰补偿, 结构简单. 对某航天器姿态控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器是可行的.     

基于ESO的BTT导弹自动驾驶仪滑模反演设计

针对BTT导弹非线性动力学模型中的参数不确定性及系统存在未知外部干扰的问题,提出了一种基于扩张状态观测器的反演滑模控制设计方法。将系统参数不确定性和未知外界干扰作为系统的复合干扰,采用扩张状态观测器估计系统的复合干扰,并实时补偿。利用Lyapunov方法证明系统的稳定性。设计的控制器算法简单、计算量小,更易于实际工程应用。仿真结果表明,设计的控制器对导弹控制系统受到的复合干扰具有较强的鲁棒性和稳定性,满足导弹姿态快速机动和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于滑模反演控制器。     

BTT导弹基于扩张状态观测器的滑模控制律设计

针对BTT导弹非线性动力学模型中的参数不确定性及系统存在未知外部干扰的问题,提出了一种基于扩张状态观测器的滑模控制设计方法;将系统参数不确定性和未知外界干扰作为系统的复合干扰,采用扩张状态观测器估计系统的复合干扰,并实时补偿;利用Lyapunov方法证明系统的稳定性;该控制器算法简单、计算量小,更易于实际工程应用;仿真结果表明,设计的控制器对导弹控制系统受到的复合干扰具有较强的鲁棒性和稳定性,满足导弹姿态快速机动和高稳定度的控制要求,性能指标明显优于滑模控制器。     

航天器姿态机动的非线性鲁棒$H_infty$控制方法

针对存在动力学参数摄动及外部干扰的航天器姿态机动问题,给出一种新的非线性鲁棒$H_\infty$控制方法.通过适当处理和假设,将航天器姿态模型表示为具有凸多面体不确定性的多项式型状态空间方程,并基于Lyapunov稳定性和平方和(SOS)理论,建立非线性状态反馈$H_\infty$控制设计的可解性条件.最后,通过数值仿真实例验证了所提出方法的有效性.     

基于观测器的网络化多智能体预测控制

研究含模型不确定性的刚性航天器输入受限时的姿态跟踪控制设计问题.针对修改的罗德里格斯姿态参数描述的航天器姿态跟踪动力学模型,基于一种有界非线性连续函数和修改的罗德里格斯姿态参数自身有界性,设计鲁棒自适应状态反馈受限控制器,不确定参数的自适应更新律可保证在线估计参数的有界性.通过所提出的输入受限控制设计方法给出输入受限幅值、期望轨迹上界、模型不确定性上界与控制器增益之间的定量关系,并采用李亚普诺夫方法证明通过选择合适的控制器参数可以保证闭环系统角速度误差渐近收敛到零,且姿态跟踪误差收敛到原点小邻域,同时保证控制量始终在预先给定的受限范围内.仿真结果验证了所设计的控制器可在输入受限的情况下完成控制目标并有效抑制模型的不确定性影响.     

非合作目标绕飞任务的航天器鲁棒姿轨耦合控制

本文研究了非合作目标强迫绕飞过程中存在外部干扰和参数不确定性以及控制输入饱和约束下的航天器鲁棒姿轨耦合控制问题.首先,根据视线坐标系下的轨道动力学方程和本体坐标系下的姿态动力学方程,建立了满足视线指向要求的航天器相对姿轨耦合动力学模型.其次,针对姿轨耦合模型,基于反步法设计了具有抗饱和能力的鲁棒自适应姿轨耦合控制律,其中利用抗饱和技术设计了饱和补偿器,并结合自适应方法对未知参数和扰动上界进行估计,并基于Lyapunov方法给出了闭环系统的稳定性证明.最后,将提出的控制方案进行了数值仿真和比较,验证了其有效性.     

飞轮安装偏差的过驱动航天器有限时间姿态控制

针对反作用飞轮安装存在偏差的过驱动航天器姿态跟踪问题, 提出一种有限时间姿态补偿控制策略. 通过设计自适应滑模控制器保证实现对不确定性转动惯量与外部干扰的鲁棒控制, 同时实现对飞轮安装偏差的补偿控制, 并应用Lyapunov 稳定性理论证明了该控制器能够在有限时间内实现姿态跟踪控制. 最后, 将该控制器应用于某型航天器的姿态跟踪控制, 仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

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。     

Coupled Orbit-attitude Saturated Control for Solar Sail in Earth-Moon 3-body System

This paper aims to investigate a coupled orbit-attitude control strategy for a kind of novel spacecraft, solar sail, to track the given orbit in Earth-Moon 3-Body dynamic environment in presence of the matched and mismatched disturbances, attitude control saturation, orbital modeling error and parametric uncertainties. A cascaded triple-loop control structure is proposed to deal with the strong couplings between the orbit and attitude systems. The inner loop focusing on the orbital effects on attitude dynamics, an adaptive saturation controller is proposed to achieve attitude angular tracking, where the uncertain inertia, unknown matched disturbance and saturated attitude control torque are compensated by combining the unknown knowledge. The middle loop is to handle the orbit effects on attitude kinematics facing the mismatched disturbance. In the outer loop, the effects of attitude system on orbit dynamics are deal with, where an adaptive orbit controller is designed considering the uncertain optical parameter and orbital modeling error. The proposed control structure efficiently simplifies the coupled orbit-attitude control design for solar sail. In contrast to traditional coupled controllers for solar sail, the proposed control laws do not require exact knowledge of parametric uncertainties, disturbances and orbit modeling errors. The combination of unknown information reduces the number of estimated parameters as well. The numerical simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.

     

基于神经网络的无人机姿态自适应控制仿真

针对四旋翼无人机姿态控制中模型不完整、部分参数和扰动不确定的问题,提出了一种基于神经网络的自适应控制方法,采用RBF神经网络对无人机姿态动力学模型中不确定和扰动部分进行学习,设计了以类反步法为基础,包含反馈控制和神经网络控制的自适应控制器,实现了对未知动态的准确逼近,解决了传统控制方法中过于依赖精确模型的问题。同时设计了神经网络的权值自适应律,实现了控制过程中的在线学习和调整,并且通过李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,在存在较大扰动的情况下,上述控制器可得到很好的控制效果,可以实现误差的快速收敛,具有较好的鲁棒性和自适应性。     

Adaptive fuzzy fault-tolerant attitude control of spacecraft

This paper investigates the attitude control of spacecraft in the presence of unknown mass moment of inertia matrix, external disturbances, actuator failures, and control input constraints. A robust adaptive controller is proposed with the utilization of fuzzy logic and backstepping techniques. The unit quaternion is employed to describe the attitude of spacecraft for global representation without singularities. The system uncertainty is estimated by introducing a fuzzy logic system. The adaptive mechanism has only two parameters to be adapted on-line because the adaptive law of the proposed controller is derived from the norm of the weight matrix. The stability of the closed-loop system is guaranteed by Lyapunov direct approach. Results of numerical simulations state that the proposed controller is successful in achieving high attitude performance in the presence of parametric uncertainties, external disturbances, actuator failures, and control input constraints.     

挠性航天器的非线性PID和PI姿态控制器设计

针对存在模型不确性和常值干扰的挠性航天器, 提出一种不依赖于模型参数的非线性PID姿态控制器. 该控制器在小姿态偏差的情况下近似经典的线性PID控制器. 另外, 考虑到航天器上陀螺失效情况, 设计了一种仅需姿态测量信息的非线性PI控制器. 这两种控制器在局部均对常值干扰有抑制作用, 并能使无干扰作用的姿态控制系统半全局渐近稳定. 闭环系统的稳定性证明采用了奇异扰动理论, 以解决积分项的存在带来的稳定性分析问题. 文章最后用数学仿真验证了控制器的性能.     

Robust and adaptive variable structure output feedback control of uncertain systems with input nonlinearity

This brief proposes a robust control algorithm for stabilization of a three-axis stabilized flexible spacecraft in the presence of parametric uncertainty, external disturbances and control input nonlinearity/dead-zone. The designed controller based on adaptive variable structure output feedback control satisfies the global reaching condition of sliding mode and ensures that the system state globally converges to the sliding mode. A modified version of the proposed control law is also designed for adapting the unknown upper bounds of the lumped uncertainties and perturbations. The stability of the system under the modified control law is established. Numerical simulations show that the precise attitude pointing and vibration suppression can be accomplished using the derived robust or adaptive controller.     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,本文提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛故障容错控制方案.通过引入能够避免奇异点,且具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束条件有限时间收敛的姿态跟踪容错控制律,利用参数自适应方法使控制器不依赖转动惯量和外部干扰的上界信息.Lyapunov稳定性分析表明:在存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障等约束条件下,本文设计的控制律能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对执行器故障具有良好的容错性能.数值仿真校验了该控制律在姿态跟踪控制中的优良性能.     

基于扩张状态观测器的UCAV自适应滑模控制

针对固定翼UCAV（Unmanned Combat Aerial Vehicle）系统中存在的不确定性和外部扰动，设计了一种基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器用来抑制系统扰动，从而提高对于UCAV的控制性能。建立固定翼UCAV的六自由度非线性模型，针对姿态控制和速度控制分别设计扩张状态观测器对模型中难以精确测量的状态量和外部扰动进行估计，依据奇异摄动原理分别对姿态和速度设计自适应超扭曲滑模控制器，实现对UCAV的姿态和速度的跟踪控制。采用某型固定翼UCAV非线性模型对所设计的控制器进行仿真验证，并且与传统的自抗扰滑模控制方法进行了对比，仿真结果表明，基于扩张状态观测器的自适应超扭曲滑模控制器具有更小的超调量和稳态误差。     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

带有干扰的挠性卫星非线性姿态输出反馈控制

针对挠性卫星在飞行过程中存在参数不确定性、干扰（常值扰动和正弦扰动）及挠性附件的振动控制问题,提出了一类基于输出反馈控制系统的鲁棒设计方法,该设计仅利用姿态四元数输出信息,而无需角速度、挠性变形位移及其速率测量信息;同时,在控制中又引入积分环节用于减小常值干扰引起的稳态误差,并且控制器参数的选者并不依赖于系统参数,基于Lyapunov理论证明了所设计的控制器保证了姿态的稳定和模态振动的衰减;最后,将该方法应用于挠性卫星的姿态机动控制,仿真结果表明该控制器不仅对参数不确定性具有很好的鲁棒性,而且能够有效消除常值干扰和正弦干扰的影响,在完成姿态机动控制的同时,能够抑制挠性附件的结构振动,具有良好的过渡过程品质．