基于变结构/输入成形的航天器振动抑制方法

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题,提出了一种基于输出反馈变结构控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略.首先,采用拉格朗日方法建立中心刚体上带有弹性附件的航天器的动力学模型.然后,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,考虑挠性结构模态不可测的情况,为了避免设计状态观测器及其引入的误差,在输出反馈变结构控制的基础上,给出了滑模存在条件以及仅利用输出信息的变结构控制器设计方法,使系统的状态轨迹达到滑动平面,并保证闭环系统渐近稳定;在此基础上,应用输入成形方法设计成形控制器来抑制该系统的振动,使得航天器星体姿态和挠性附件的振动同时得到了有效的控制.该成形控制器的设计仅需闭环系统的振动频率和阻尼.将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest-to-rest(静止到静止)姿态机动控制进行了仿真研究,结果表明,方法可行有效.     

Variable structure attitude maneuver and vibration control of flexible spacecraft

A dual-stage control system design method is presented for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensor and actuator. In this design approach, the attitude control and the vibration suppression sub-systems are designed separately using the lower order model. The design of attitude controller is based on the variable structure control （VSC） theory leading to a discontinuous control law. This controller accomplishes asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and is insensitive to the interaction of elastic modes and uncertainty in the system. To actively suppress the flexible vibrations, the modal velocity feedback control method is presented by using piezoelectric materials as additional sensor and actuator bonded on the surface of the flexible appendages. In addition, a special configuration of actuators for three-axis attitude control is also investigated ： the pitch attitude controlled by a momentum wheel, and the roll/yaw control achieved by on-off thrusters, which is modulated by pulse width pulse frequency modulation technique to construct the proper control torque history. Numerical simulations performed show that the rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque and parameter uncertainty.     

弹药传输机械臂固定时间终端滑模控制

为提高坦克弹药传输机械臂在路面激励等外界扰动下位置控制的鲁棒性,设计一种固定时间终端滑模控制器(fixed-time terminal sliding mode controller, FTSMC).推导含垂直基础振动的弹药传输机械臂动力学方程,将系统的基础振动处理成干扰项.采用新型固定时间收敛干扰观测器对系统不确定项进行补偿,改善了控制器的鲁棒性.结合固定时间收敛双幂次趋近律和固定时间终端滑模面设计固定时间终端滑模控制器.用Lyapunov理论证明了系统固定时间收敛特性. 3种工况下的对比实验表明,设计的复合控制器对不确定性干扰具有强鲁棒性,能够对外界扰动下的弹药传输机械臂进行准确定位控制.     

Vibration control of flexible spacecraft actuated by piezoceramics via variable structure strategy

This paper presented a hybrid control scheme to vibration reduction of flexible spacecraft during rotational maneuver by using variable structure output feedback control (VSOFC) and piezoelectric materials. The control configuration included the attitude controller based on VSOFC method and vibration attenuator designed by constant-gain negative velocity feedback control. The attitude controller consisted of a linear feedback term and a discontinuous feedback term. With the presence of this attitude controller, an additional flexible control system acting on the flexible parts can be designed for vibration control. Compared with conventional proportional-derivative (PD) control, the developed control scheme guarantees not only the stability of the closed-loop system, but also yields better performance and robustness in the presence of parametric uncertainties and external disturbance. Simulation results are presented for the spacecraft model to show the effectiveness of the proposed control techniques.     

IMC based robust PID controller tuning for disturbance rejection

It is well-known that the IMC-PID controller tuning gives fast and improved set point response but slow disturbance rejection. A modification has been proposed in IMC-PID tuning rule for the improved disturbance rejection. For the modified IMC-PID tuning rule, a method has been developed to obtain the IMC-PID setting in closed-loop mode without acquiring detailed information of the process. The proposed method is based on the closed-loop step set point experiment using a proportional only controller with gain K_(c0). It is the direct approach to find the PID controller setting similar to classical Ziegler-Nichols closed-loop method. Based on simulations of a wide range of first-order with delay processes, a simple correlation has been derived to obtain the modified IMC-PID controller settings from closed-loop experiment. In this method, controller gain is a function of the overshoot obtained in the closed loop set point experiment. The integral and derivative time is mainly a function of the time to reach the first peak(overshoot). Simulation has been conducted for the broad class of processes and the controllers were tuned to have the same degree of robustness by measuring the maximum sensitivity, Ms, in order to obtain a reasonable comparison. The PID controller settings obtained in the proposed tuning method show better performance and robustness with other two-step tuning methods for the broad class of processes. It has also been applied to temperature control loop in distillation column model. The result has been compared to the open loop tuning method where it gives robust and fast response.     

基于指令滤波的板球系统误差反步控制器研究

针对存在未知扰动条件下板球系统的轨迹跟踪控制精度不高的问题,研究了一种基于指令滤波的误差反步控制方法。首先,建立板球系统模型,引入二阶指令滤波器,滤除小球位置和速度状态变量的噪声干扰。其次,逐步选取李雅普诺夫函数,设计误差反步控制器,克服系统受到的外界干扰,实现对输入信号的渐进跟踪控制。最后,通过李雅普诺夫理论证明系统稳定性。仿真结果表明,该控制器能够有效抑制干扰,精确地完成轨迹跟踪任务。     

六自由度运动模拟器振动控制策略

针对液压驱动六自由度运动模拟器在对振动环境进行模拟的过程中存在幅值衰减和相位滞后,难以保证对高频随机信号的复现精度这一问题,提出采用基于铰点空间控制与基于操作空间控制相结合的方式,在单缸比例加前馈控制的基础上,通过三状态控制策略来扩展系统的频宽,同时在保证系统稳定的前提下达到精确复现输入位置随机信号的目的。实验结果表明,采用三状态控制策略的六自由度运动模拟器可以将系统输出对输入的位置随机信号在0.5～25Hz频率内的功率谱密度误差控制在±3dB以内,满足精确复现的性能指标。     

主动隔振器的自适应模糊控制研究

针对具有非线性不确定性的主动隔振器的镇定问题,本文采用隔离振动源方法,建立了主动隔振器系统的动态方程,并运用模糊逻辑来估计系统的未知非线性函数;同时基于Backstepping和自适应模糊控制技术给出了系统的控制方案,并在控制器的作用下,闭环系统状态快速收敛到原点充分小的邻域内,从而确保系统正常运行,同时用实例进行了数值仿真.仿真结果表明,在控制信号的作用下,系统状态能快速收敛到原点充分小的邻域内,所设计的模糊自适应控制器在镇定主动隔振器系统的同时使所有的自适应信号保持有界.该研究可确保主动隔振器系统具有良好的隔振性能.     

离散非线性大系统的非脆弱鲁棒保性能控制

针对一类用T-S模糊模型描述的不确定离散非线性大系统,采用状态反馈的并行分布补偿方法研究其鲁棒非脆弱保性能模糊控制问题,使得在控制器存在可加性摄动的情况下,其闭环性能指标值低于确定的上界。利用线性矩阵不等式处理方法,导出了非脆弱保性能模糊控制律的存在条件。实例仿真结果表明了该设计方法的可行性和有效性。     

模型不确定非线性系统的自适应模糊Backstepping预测控制

为解决一类模型不确定严格反馈非线性系统的跟踪控制问题,提出一种使闭环系统稳定且滚动时域性能指标在线最小化的自适应模糊反步预测控制策略。模糊系统用来逼近该设计过程中的未知非线性项,自适应参数直接用来估计最优逼近权值向量范数的平方,从而只有一个自适应参数需要在线调节;同时考虑模糊基函数的性质,所设计的控制律与自适应律均不含模糊基函数项,理论证明该方法设计的控制器保证闭环系统所有信号是半全局有界的,并且跟踪误差收敛于零的某一邻域。该方法所设计的控制器形式简单,计算量小,更易于实际应用,仿真算例验证提出算法的有效性。     

Maneuver and vibration reduction of flexible spacecraft using sliding mode/command shaping technique

The current trend of spacecraft is to use large,complex, and light-weight space structures to achieveincreased functionality at a reduced lunch cost. Thisresults in these space structures being extremely flexibleand having lowfundamental vibration modes, and thesemodes are often excited during normal on-orbit opera-tions, such as attitude maneuvers, and so on, especial-ly, when the spacecraft attitude control system employson-off thrusters that produce discontinuous and nonlin-ear control actio…     

直驱气浮平台工作模态的分析方法及实验验证

直驱气浮平台是集气浮支承、伺服驱动及机械结构为一体的精密运动系统,它具有较复杂的振动性能,一般通过模态分析得到机械结构的振动性能,但在工程应用中,我们更需要获得驱动作用下平台工作时的振动性能。为简单、快捷、准确地分析平台工作状态的振动性能,本文提出一种机电耦合的振动分析方法,即将驱动系统的伺服特性和气浮支承的气膜特性均等效成弹簧阻尼单元,建立机电耦合仿真模型,基于该模型分析得到平台工作状态下的振动模态。为验证该方法,采用LMS模态测试仪对平台进行模态测试,试验结果同仿真结果较一致,基于此方法分析计算得到的振动模态最大偏差为8.16%;模态实验表明所提出的机电耦合模态分析方法可以准确地分析平台工作状态的振动特性。     

带有量化与丢包的线性系统的动态反馈控制

研究了涉及信号量化与数据丢包的网络控制系统的动态输出反馈控制问题.其被控系统的状态是不可测的,且量测输出信号与控制输出信号在经过网络传输之前被对数量化.由于通道带宽受限,使由传感器到控制器与由控制器到执行器的通讯通道中同时可能发生随机丢包,因此闭环系统被建模为含有4个子系统的离散切换系统.利用扇形界方法与平均驻留时间方法,以非线性矩阵不等式的形式给出了闭环系统指数稳定的充分条件,并通过求解一个非线性最小化问题得出了动态控制器.     

一类非线性系统的自适应模糊控制器设计及稳定性分析

首先建立一种动态T–S模糊子系统,用于估计非线性系统,然后设计一种稳定的参考模型,其前件与T–S模糊子系统相同.在此基础上,提出一种反馈控制器,其控制矩阵采用线性矩阵不等式（LMI）的方法进行求解,使得在数学模型已知的情况下,闭环系统渐近稳定.此外,为补偿和消除实际系统中常存在的参数不确定性和外部干扰的影响,进一步提出一种自适应模糊控制器,能够在保障系统性能的情况下,补偿参数不确定性,并去除外界干扰的影响.最后,采用李亚普诺夫合成法证明闭环系统的稳定性.仿真验证了该方法的有效性.     

中立型模糊时滞系统的非易碎保成本控制

研究一类中立型T-S模糊时滞系统的非易碎保成本控制问题,目的是设计非易碎状态反馈模糊控制器,使得对所有容许的控制器增益扰动,闭环系统是渐近稳定的且成本函数具有有限的上界.以LMI的形式给出了所考虑的控制器的存在条件,同时提供了所求控制器的设计方法.算例和仿真验证了设计方法的有效性.     

柔性基础耦合系统的主动隔振研究

针对设备上楼时的弹性安装问题,把弹性基础建模为柔性梁．考虑了设备、隔振元件和基础的动力耦合作用,采用传递导纳矩阵法推求主动隔振和被动隔振的统一的力传递率控制式,并用PID方法设计控制器的控制律,探讨了各反馈增益对振动控制的影响,从而实现了控制FBRE系统若干阶模态振动的目的,隔振效果明显．     

一类非线性系统基于滑模原理的模糊自适应控制

针对一类非线性系统，设计出了一种自适应控制方案，用模糊逻辑逼近非线性函数，根据滑模原理及李雅普诺夫函数设计出自适应控制器。然后，用模糊推理进行修正，以克服一般滑模控制具有的抖动现象，保证闭环系统的稳定性和跟踪误差收敛于零的某邻域内。     

控制方向未知的非线性系统有限时间跟踪控制

研究了一类具有输入死区以及控制方向未知的严格反馈非线性系统有限时间输出反馈跟踪控制问题. 首先,通过坐标变换,将所研究的控制方向未知的非线性系统转化为控制增益已知的等效系统. 然后,设计了一个模糊状态观测器来逼近不可测的状态,引入Nussbaum函数来解决控制方向未知的困难. 基于模糊状态观测器,通过反步法利用变换后的系统间接得到原系统的控制器. 此外,该控制器可以保证跟踪误差在有限时间内收敛于原点的一个小邻域,且闭环系统中的所有信号都保持有界. 最后,通过一个仿真算例验证了该控制方法的可行性和有效性.     

基于粒子群优化的板球系统双闭环滑模控制

板球系统是高阶、开环不稳定的非线性系统,本文基于板球系统简化模型,结合Lyapunov稳定性原理,在双闭环控制方案的基础上,设计滑模变结构位置控制器,并使用粒子群算法对滑模界面参数和滑模趋近律参数进行优化,提高了控制精度,减消了滑模抖振。仿真实验表明,与传统双闭环PID控制相比,滑模变结构控制算法响应速度更快,达到稳定状态时间更短,具有更好的跟踪与鲁棒性能。     

迭代滑模增量反馈及在船舶航向控制中的应用

针对一类不确定非线性受扰动系统,提出一种基于非线性迭代滑模变结构的增量反馈控制算法．通过对系统输出迭代设计非线性滑动模态,并利用增量反馈控制,无需对不确定项的估计,在系统输入增益符号已知的条件下可自动寻找使系统稳定的控制量,避免了变结构控制的抖振以及输出反馈控制的稳态误差与超调问题,强化了变结构控制的不变性特点．对不同船型及舵机模型的船舶航向控制进行了仿真,结果表明,系统阶跃响应超调得到有效抑制,定常干扰下的静态误差得到消除,且控制器对模型摄动及干扰变化不敏感、设计参数易于调节．