控制系统的无静差最优扰动抑制

研究具有外部持续扰动的线性控制系统最优无静差扰动抑制问题。通过构造无静差内模扰动补偿器,将带持续扰动的系统转化为无扰动的增广系统。从而将最优无静差扰动抑制问题转化为无扰动增广系统的最优控制问题。利用系统能控和能观测的秩判据证明了增广系统的能控性和能观测性。通过该方法求得的控制律既实现了扰动的完全抑制又达到了最优控制目的,且具有较好的鲁棒性。     

受扰线性离散时滞系统的前馈-反馈最优控制

为研究含外界确定扰动的线性离散时滞系统的前馈-反馈最优控制(FFOC)问题,提出了设计FFOC的逐次逼近法.首先构造了一个其解收敛于原时滞系统的无时滞系统序列,然后将离散时滞系统的最优控制问题化为求解无时滞系统最优控制序列问题,通过截取最优控制序列解的有限项,得到系统的前馈-反馈次优控制律.仿真算例表明,该算法是有效的,且对外部确定扰动具有良好的鲁棒性.     

多Euler-Lagrange系统抑制抖振分布式有限时间包含控制

为了抑制多Euler-Lagrange系统分布式包含控制时控制输出的抖振现象,且实现系统的有限时间收敛,对多EulerLagrange系统的抑制抖振分布式有限时间包含控制方法进行了研究.在系统存在模型不确定性与外界干扰的情形下,采用有限时间滑模控制方法,结合系统的模型特点,提出了分布式有限时间包含控制算法.首先,通过定义包含控制误差变量和选取合适的高阶有限时间滑模变量,设计了一种分布式有限时间包含控制律.为了实现控制器输出的抑制抖振特性,将符号函数项包含在控制律的导数中,经过积分后,可以得到连续的控制输出.针对系统存在的模型不确定性和外界干扰,设计了自适应估计律对其上界进行估计和补偿.基于图论和矩阵理论,利用Lyapunov方法证明了系统能够在有限时间内稳定,且模型不确定性和外界干扰的估计是有效的.最后,选取多机械臂系统作为模型进行了仿真验证.结果表明,所提控制算法对滑模控制中因不连续的切换项产生的抖振现象有很好的抑制作用,且系统可以在有限时间内实现收敛.     

一类带有未知间隙滞后特性的反演自适应控制

提出了一类带有未知间隙滞后特性的不确定非线性单输入单输出系统的一种反演自适应控制器设计方案。在有界外部干扰的情况下,通过不同的方程式建立了滞后模型。在设计方案中,我们提出了一种可供选择的平滑控制律,它的跟踪误差仍然接近指定界。与别的控制方案不相同的是发展的反演自适应控制不要求内部模型参数已知,也不要求干扰项有界。除了说明全局稳定性之外,在设计参数方面,也给出了性能的轨线误差一个确切的界。最后的仿真结果说明了我们方案的有效性。     

基于状态反馈精确线性化Buck变换器的微分平坦控制

针对Buck变换器由于输入电压和输出电流等外部扰动及电路参数摄动等不确定因素引起系统输出电压变化的问题,提出一种基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法。根据状态空间平均方程建立了变换器的仿射非线性模型,通过坐标变换推导出状态反馈控制率。在状态反馈精确线性化模型基础上,设计了微分平坦控制器,同时将扰动观测器嵌入控制器中,进一步提高了系统对电路参数摄动和外部扰动等内外干扰的处理能力。最后应用灵敏度理论分析了变换器的稳定性,可知减小电感量、增大电容值有利于提高系统的稳定性。实验结果表明,与传统PI控制方法相比,本文所提控制方法对输入电压和输出电流扰动具有更强鲁棒性,输出电压纹波更小,且系统响应速度能提升近50%。本文研究对DC-DC变换器控制器的设计具有参考意义。     

受扰离散时滞系统的最优变结构控制

针对离散时滞不确定系统,设计了二次型性能指标下的最优滑模控制器.通过滑模控制方法,设计最优滑模面,实现状态轨迹在滑模面上滑动运动的最优化;利用含有时滞的两点边值问题的近似解法,得到由参考输入外系统的状态来构造前馈控制作用;设计的观测器对扰动外系统的状态进行了重构,从而得到物理可实现的切换控制律,能有效调控系统的收敛速度.仿真结果表明:所提的方法是有效的,所设计的滑模运动易于实现且对外界扰动具有很强的鲁棒性.     

Hybrid H2/H∞ force/position control based on neural networks

A neural network control scheme with mixed H2/H∞ performance was proposed for robot force/posi-tion control under parameter uncertainties and external disturbances. The mixed H2/H∞ tracking performance ensures both robust stability under a prescribed attenuation level for external disturbance and H2optimal track-ing. The neural network was introduced to adaptively estimate nonlinear uncertainties, improving the system' s performance under parameter uncertainties as well as obtaining the H2/H∞ tracking performance. The simulation shows that the control method performs better even when the system is under large modeling uncertainties and external disturbances.     

航天器姿态跟踪的非线性离散滑模仿真模型设计

为提高三轴稳定刚体航天器对时变参数摄动及外界环境干扰的鲁棒性能,提出一种基于非线性离散滑模控制的姿态跟踪控制系统设计方法.建立了航天器姿控模型,针对该模型中存在的时变特性与干扰力矩,将原系统进行反馈线性化解耦和模型离散化,由离散指数趋近律推导了离散滑模姿态控制律.依据某航天器的模型数据进行的仿真结果表明,所设计的离散滑模姿控系统在确保航天器姿态稳定的同时,实现了各通道的解耦控制,可有效减小干扰引起的姿态角跟踪偏差,对系统外干扰和内部参数摄动都具有良好的鲁棒性能,同时还验证了对指令跟踪的动态性能与采样周期的关系.     

非平稳随机循环工况离合器接合优化及跟踪控制

为更好地解决系统参数摄动和外负荷扰动等不确定性因素下离合器接合轨迹可变性及其跟踪偏差带来的接合过程问题,提出了离合器接合轨迹的优化及跟踪控制方法. 以装载机V型工况重载后退换挡中离合器接合过程为研究对象,建立冲击度和滑磨功相结合的二次型性能指标泛函,在干扰矩阵有参数化表达的非平稳随机项下,通过构造Hamiltonian函数并依据Pontryagin极大值原理和解析Riccati微分方程,得到时变最优控制律和权重系数调整下的可变扭矩最优轨迹;为提高非线性特性执行机构参数摄动下最优轨迹的跟踪精度,将接合过程品质优化问题转化为轨迹跟踪的单一目标问题,采用指数趋近律滑模控制方法设计的控制器实现了跟踪误差在0.3%以内的精准跟踪,用Lyapunov理论对其进行了稳定性分析. 数值仿真结果表明,该控制方法降低了离合器接合冲击度及滑磨功,有助于提高离合器接合过程品质,对解决同类问题具有理论性工程参考价值.     

带有双曲正切加权函数的落角约束最优制导律

为降低末制导律对初始状态误差的敏感度、提高导弹的末端抗干扰能力,针对带有落角约束的末制导问题,考虑基于双曲正切函数的一类加权函数,提出了一种基于间接Gauss伪谱法的最优末制导律. 首先,基于目标位置和期望落角建立了落角坐标系,并在该坐标系中建立了导引运动关系方程,得到了带有落角约束的末制导模型;然后,根据极小值原理推导出了用于求解最优制导律的两点边值问题,运用Gauss伪谱法进行离散,把两点边值微分方程转换为一系列代数方程;最后,通过显式求解代数方程快速得到了最优控制律,该方法避免了求解黎卡提微分方程,不需要进行繁琐的积分运算,计算量小. 所提制导律在推导过程中不依赖于加权函数的具体形式,可非常方便地处理复杂加权函数. 仿真结果表明:通过设计不同形式的加权函数,可灵活改变导弹运动轨迹及制导指令的分布,以实现不同的制导目标;所提方法能有效降低制导律对初始状态误差的敏感度,而且还可以提高导弹的末端抗干扰能力,在很大程度上提高了制导律的设计灵活性.     

菱形翼布局无人机自适应分数阶滑模姿态控制

为研究存在复合干扰的非常规布局菱形翼长航时侦察无人机姿态控制问题,针对系统存在强耦合、非线性、多输入多输出等特点,结合滑模变结构控制理论、分数阶微积分理论、自适应控制理论、新型基于非线性fal函数的快速趋近律及扩张状态干扰观测器,提出了一种包含干扰观测器的自适应分数阶微积分滑模控制方法.首先,为降低控制器的超调现象,结合分数阶微积分理论,利用分数阶微积分算子信息记忆和遗忘的特性,设计了分数阶微积分滑模面,以柔化控制器的输出,使得控制器超调现象得到良好的控制. 其次,为改善传统趋近律收敛时间长,抖震严重等弱点,利用fal函数“小误差大增益,大误差小增益”良好的特性,将非线性fal函数引入到趋近律的设计中,提出了一种可以快速收敛的新型趋近律,平滑无抖震地加快了系统收敛速度. 最后,由于建模误差和外部干扰的存在,使用扩张状态干扰观测器观测出等效干扰并在控制器中引入等效的补偿. 数值仿真结果表明,所提控制方法具有很强的鲁棒性,达到了理想的控制效果.     

Hamilton系统的鲁棒自适应控制及在航天器中的应用

针对带有参数不确定性和受外干扰影响的多输入多输出Hamilton系统的跟踪控制问题,提出一种基于动态逆和扩张状态观测器的鲁棒自适应控制方法,保证系统具有良好的控制性能和较强的鲁棒性。首先,针对标称模型设计了基于动态逆方法的控制器,然后采用基于投影算子的自适应律和扩张状态观测器,分别对系统中的不确定参数和外干扰进行估计和补偿,同时,采取动态补偿器降低执行器饱和对控制性能的影响。最后,将控制方案应用于航天器姿态控制系统中,仿真实验结果表明了方法的有效性。     

大结构系统的最优控制

此论文通过正则变换将受控结构系统状态方程解耦，把一个ｎ自由度系统的控制问题转化为其ｎ个振型的控制问题，在理论上证明了原系统的最优控制等价于它的全部振型的最优控制，并通过对振型的最优控制实现了对系统的最优控制，在讨论各振型的最优控制时，根据基本方程的物理意义和Ｒｉｃｃａｔｉ函数的性质方便地求出了Ｒｉｃｃａｔｉ函数，完全避免了在实际应用时解Ｒｉｃｃａｔｉ方程的繁锁计算，为实现大系统的最优控制带来了极大     

卫星姿态的间接自适应模糊鲁棒控制

针对在太空强干扰环境下工作的三轴稳定卫星姿态控制问题,将间接自适应模糊鲁棒控制应用于卫星的姿态稳定控制中,给出了实现方法。用自适应模糊控制器逼近被控对象的数学模型,并在控制量中加入鲁棒控制项用于抑制扰动,使系统具有更强的鲁棒性。针对挠性卫星设计了间接自适应模糊鲁棒控制器,推导了参数自适应律。仿真结果表明,该方法能够有效抑制扰动,且具有较好的动态与静态品质。     

随机最优策略在转子系统振动控制中的应用

为了减小随机激励作用下转子系统的振动, 提出了一种用于振动控制的随机最优控制策略.基于线性二次型高斯控制理论, 给出了转子系统在白噪声激励作用下振动控制的随机最优控制规律，并通过成形滤波器把有色噪声变为白噪声，得到了有色噪声激励作用下的随机最优控制规律. 通过求解方差方程，用数值方法对对随机激励作用下的转子系统的位移响应方差进行了研究.结果表明, 该控制策略作用下转子圆盘中心的位移响应方差仅为没有控制策略作用下对应位移响应方差的16.7％. 该控制策略能够有效地抑制转子系统的振动. 转子圆盘中心的位移响应方差随着随机激励功率谱密度的增大而增大.     

指标函数终端自由和受函数约束的分数阶系统的最优控制

将求解整数阶系统最优控制的方法和步骤拓展到分数阶系统的最优控制中,对由Caputo定义的分数阶微分方程描述的分数阶系统提出了求解性能指标函数在始端固定的条件下,终端时间固定而终端状态自由和始端固定、终端时间固定而终端状态受函数约束的最优控制的状态方程、伴随方程、控制方程、横截条件和终端约束方程,并给予了证明.     

熔化极气体保护焊中弧长系统的改进无模型自适应控制

针对熔化极气体保护焊中电流与弧长非线性时变系统难以建立精确的模型,且在焊接过程中,系统存在各类不确定因素并易受到内外界扰动的问题,提出一种改进的无模型自适应控制方法。首先,设计了带有可测与不可测干扰以及不确定因素的动态线性化泛模型,采用参数估计算法在线估计伪偏导数,引入干扰观测器实时补偿逼近内外界扰动和不确定因素;进而,通过构建准则函数设计出弧长系统的控制律通,在此基础上,得到改进的无模型自适应控制方案;最后,证明了该方法的鲁棒稳定性。仿真结果表明：与现有无模型自适应控制方案相比,所提出方法具有良好的跟踪性能和更快的响应速度;当焊接过程中遇到可测和不可测干扰以及不确定因素时,所提出的控制方法具有更强的鲁棒性,从而确保了焊接过程中弧长的稳定和较好的控制品质。     

Earth-observation satellite attitude control using passive and active hybrid magnetically suspended flywheels

The control strategy is presented using passive and active hybrid magnetically suspended flywheels（P＆A MSFWs）,which can help meet the requirements of high precision and high stability for earth-observation satellites.Compared with the conventional flywheel,P＆A MSFW has more rotation degrees of freedom（DOFs）since the rotor is suspended by magnetic bearings,and thus requires more efficient controllers.A modified sliding mode control law（SMC）to our novel nonlinear and coupled system is presented,which is interrupted by inertia matrix uncertainties and external disturbances.SMC law via Lyapunov method is improved,and a fuzzy control scheme is used to attenuate the chatting and control attitude accuracy and maintain the robustness of SMC.Simulation results are provided to illustrate the efficiency of our model by using our control law.     

Three-dimensional nonlinear coupling guidance for hypersonic vehicle in dive phase

Three-dimensional (3D) nonlinear diving guidance strategy considering the coupling between longitudinal and lateral motions for hypersonic vehicle is investigated in this paper. It constructs the complete nonlinear coupling motion equation without any approximations based on diving relative motion relationship directly, and converts it into linear state space equation with the same relative degree by feedback linearization. With the linear equation, slide mode control with strong robustness is employed to design the guidance law, and 3D diving guidance law which can satisfy terminal impact point and falling angle constraints with high precision is obtained by substituting the previous control law into the origin nonlinear guidance system. Besides, regarding lateral overload as the standard, hybrid control strategy which can take full advantage of the excellent characters of both bank-to-turn (BTT) and skid-to-turn (STT) controls is designed to improve the guidance accuracy further. Finally, the results of CAV-H vehicle guidance test show that the algorithm can realize high accuracy guidance even if serious motion coupling exists, and has strong robustness to the path disturbances and navigation errors as well.     

高超声速飞行器有限时间LPV滑模控制器设计

高超声速飞行器在机动飞行时易受到外界扰动,若采用传统的状态反馈控制方法,闭环控制系统极易引起振荡,无法满足机动飞行指令信号跟踪的精度要求;若采用传统的滑模控制方法,由于系统存在奇异值的问题,且计算过程较为复杂,控制系统不易于实现.针对上述问题,考虑高速机动飞行控制实际要求,提出了一种基于有限时间时变滑模的线性变参数(LPV)控制器设计方法并应用于高超声速飞行控制.首先不考虑外界扰动,通过传统的状态反馈控制方法使系统保持稳定.然后,在扰动存在的情况下,通过选取一个特殊的滑动函数,设计有限时间时变滑模控制律.为减小系统的抖振现象,引入饱和函数来替换控制律中的符号函数.经理论推导证明了闭环系统中的所有信号都是有界的,并且可以在预定的时间内将跟踪误差控制在零点的一个很小的邻域范围内.仿真验证结果表明,高超声速飞行器机动飞行条件下的状态量可在有限时间内稳定跟踪参考指令信号,且有效地抑制了闭环系统的振荡现象,验证了本方法所设计控制器的有效性.