空间电磁对接控制问题

航天器空间电磁对接能避免诸如推进剂消耗、羽流污染和对接冲击等现有基于推力器对接所固有的缺陷,应用前景广阔.空间电磁对接控制目前国内外还没有有效研究,论文主要针对此问题开展初步研究工作.论文首先重点分析空间电磁对接特性及其主要控制问题,然后采用反馈线性化方法对地面二维电磁对接控制模型进行线性化处理、以及基于线性化模型应用Kalman滤波方法估计电磁对接运动状态,最后采用二阶稳定性方法设计控制律并进行仿真分析.理论研究和仿真分析表明:航天器空间电磁对接是可行的,电磁对接非线性模型可以采用反馈线性化方法实现精确线性化,基于线性化模型的二阶稳定性方法满足控制律设计要求.     

空间柔性双臂机器人的神经网络协调控制

基于对机器人闭链系统运动特性的分析,采用假设模态法及拉格朗日方程建立了自由浮动空间柔性双臂机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型,然后采用基于小脑模型的模糊神经网络与非线性PD并行控制的方法对该动力学模型进行轨迹跟踪,并对内力采用积分控制;通过仿真实验比较,该方法比一般的非线性PD控制,在跟踪误差、抗干扰性、鲁棒性方面,都有很大的改善.     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

高超声速飞行器非线性鲁棒控制律设计

高超声速飞行器具有模型非线性程度高、耦合程度强、参数不确定性大、抗干扰能力弱等特点,其自主控制具有较大的挑战.论文提出了一种基于鲁棒补偿技术和反馈线性化方法的非线性鲁棒控制方法.文中首先采用反馈线性化的方法对纵向模型进行输入输出线性化,实现速度和高度通道的解耦和非线性模型的线性化.针对得到的线性模型,设计包括标称控制器和鲁棒补偿器的线性控制器.基于极点配置原理,设计标称控制器使标称线性系统具有期望的输入输出特性,利用鲁棒补偿器来抑制参数不确定性和外界扰动对于闭环控制系统的影响.基于小增益定理,证明了闭环控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒跟踪性能.相比于非线性回路成形控制方法,仿真结果表明了所设计非线性鲁棒控制算法的有效性和优越性.     

高动态临近空间飞行器的姿态自适应解耦控制

研究飞行器空间动态特性优化控制问题,高动态临近空间飞行器的姿态运动模型是一个多变量非线性时变不确定系统,由于小扰动线性化理论和系数冻结基本假设的传统三通道独立综合(设计)方法已很难适用。针对多变量非线性时变不确定系统对象的非线性设计方法来解决控制问题。提出了一种神经网络自适应反馈线性化方法,用FCMAC神经网络估计实际模型和标称模型间精确线化反馈阵的误差,修正实际系统的反馈线性化模型,有效克服了反馈线性化需要被控对象精确建模的局限性,实现了高马赫、大空域、快角度机动条件下的姿态解耦控制,并进行仿真。仿真结果表明:解耦控制系统在气动拉偏30%下超调小于7%,通道间交叉耦合小于1°,能够满足对象的控制要求。     

基于内模扩展LQ方法的WMR轨迹跟踪控制

针对现有非线性控制方案的一些瓶颈问题,从线性控制的角度出发,开展了一种用于WMR的线性二次型最优控制方法设计的研究.首先,基于WMR的运动学模型采用动态反馈线性化技术将非线性运动学模型转化为线性模型;然后,选取跟踪误差及误差收敛速度作为设计指标;同时考虑实现渐进跟踪,针对不同形式的参考轨迹,根据内模原理对控制器模态进行扩展,利用线性模型设计基于内模扩展LQ最优轨迹跟踪控制器;最后通过动态反馈反变换得到实际控制器.此外,通过将此方法的控制效果与几种经典方法进行仿真比对,说明了此方法对于跟踪的精确性和快速性上有较大优势.     

状态反馈精确线性化在电液伺服位置控制系统中的应用研究

电液伺服系统是一种非线性系统。本文对采用状态反馈精确线性化方法来控制电液伺服系统的可行性进行了分析,根据该电液伺服位置控制系统的组成和工作原理建立了数学模型,并基于状态反馈精确线性化理论结合最优控制原理进行了系统设计与仿真。仿真结果表明,采用状态反馈精确线性化方法和最优控制理论,可使该电液伺服位置系统具有较好的位移跟踪线性度和较高的稳态精度。     

基于反馈线性化的TCSC滑模控制

针对含可控串联补偿(Thyristor Controlled Series Compensation,TCSC)的电力系统非线性强及易受外部扰动的特点,应用反馈线性化方法和滑模变结构控制理论,设计了提高系统稳定性的可控串联补偿滑模控制器。通过引入反馈控制变量,基于状态反馈线性化理论实现了对非线性模型的精确线性化。采用极点配置方法设计滑模切换函数,从理论上保证发电机转子方程具有期望的极点。为了减小抖振采用指数趋近律和准滑动模态方法求取滑模控制律,使得设计的可控串联补偿非线性控制律形式简洁,鲁棒性好。为了验证该控制策略的有效性,在Matlab/Simulink环境下建立了基于反馈线性化的可控串联补偿滑模控制系统仿真模型,进行了仿真研究。仿真结果表明,与传统的控制方式相比,设计的控制器能有效地阻尼系统振荡,增强系统的暂态稳定性。     

并网逆变器逆系统自学习滑模抗扰控制

针对三相并网逆变器模型的多变量、非线性、强耦合等特点,采用开关函数法建立其开关周期平均模型,在此模型的基础上采用逆系统方法实现反馈线性化和解耦控制,对伪线性系统设计自适应滑模抗扰控制器,使用非线性光滑函数设计扩张状态观测器以实现内部建模误差与外部扰动的扩张状态估计,并将非线性扩张状态观测器和跟踪微分器与自学习滑模控制器结合使用.仿真结果表明,该方法具有响应速度快、控制精度高、抗扰能力强的特性,在并网逆变器中具有较大应用价值.     

分段线性化多模型动态矩阵控制算法的设计

线性控制算法具有计算简单、实时性好等优点,但是工业过程通常具有复杂的非线性特性,而且非线性程度越强,实际过程和模型之间的误差越来越大,常规的线性控制器性能会随着非线性程度的增强而显著降低.对于一般的非线性控制策略而言,它们具有建模成本较高、难以选取合适的权重因子等难点,本文采用分段线性化的方法,将非线性系统过程分为多个分段的线性化模型,将动态矩阵控制策略推广到各个分段线性模型,设计了分段线性化多模型DMC算法,通过组合以实现其预测控制的目的.为了验证该算法的有效性,本文在Matlab/Simulink软件平台上进行了1套强非线性pH值中和过程实验装置的较全面的控制仿真,包括阶跃及方波给定值跟踪、抗强干扰,以及存在较大模型失配时的给定值跟踪性能仿真.仿真结果表明,针对强非线性的过程,分段线性化的DMC比不分段单模型的DMC过程具有更好的控制性能.     

多无人机系统分布式编队控制

利用具有虚拟领航者的二阶动态一致性协议讨论了三维空间内分布式无人机编队控制问题。利用反馈线性化的方法将无人机非线性动力学模型线性化,将控制输入转化为惯性坐标系中三个坐标轴方向的加速度。运用一致性算法求解线性化后的无人机模型,使无人机能够形成稳定的预期编队并跟随虚拟领航者沿特定航线以一定速度运动。定义了编队的误差函数并运用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性。仿真验证了模型和算法的有效性。     

基于滑模观测器的直线伺服系统反馈线性化速度跟踪控制

在许多高速、高精的直线伺服系统中,要求能实现对速度的快速精确跟踪,但其模型的非线性和变量间的耦合给控制带来难度.对高速、高精速度跟踪控制中,电流和速度的变化过程在时间尺度上相对接近,不能简单地采用磁场定向矢量控制方法实现静态解耦,否则电流和速度间的非线性耦合将破坏速度跟踪品质.采用状态反馈线性化方法来实现永磁直线同步电动机(PMLSM)模型的精确线性化和动态解耦.利用非线性坐标变换和非线性反馈将系统解耦成独立的线性电流子系统和速度子系统.通过扩展滑模观测器来实现对所需要的动子速度、加速度和负载扰动的鲁棒观测.并利用李雅普诺夫理论对由反馈线性化和滑模观测器构成的非线性闭环系统的稳定性进行了证明.仿真结果表明该方案使PMLSM伺服系统具有良好的鲁棒速度跟踪性能.     

Design, analysis and experimental validation of a robust nonlinear path following controller for marine surface vessels

The problem of path following for marine surface vessels using the rudder angle is addressed in this paper. A four-degree-of-freedom nonlinear surface vessel model, together with the Serret-Frenet equations, is introduced to describe the ship dynamics and path following error dynamics. While similar models have been used and reported in the literature for path following control algorithm development, the novelty of the approach presented in this work lies in the following aspects. (a) The back-stepping nonlinear controller design is based on feedback dominance, instead of feedback linearization and nonlinearity cancelation; (b) additional design parameters are employed in the Lyapunov function that lead to simplification of the controller in the design procedure and normalization of different variables in the Lyapunov function to improve the controller performance; (c) relying on feedback dominance and the introduction of the additional parameters in the Lyapunov function, the resulting controller is almost linear, with very benign nonlinearities allowing for analysis and evaluation; and (d) the performance of the nonlinear controller, in terms of path following, is analyzed for robustness in the presence of model uncertainties. The simulation results are presented to verify and illustrate the analytic development and the effectiveness of the resulting control against rudder saturation and rate limits, and delays in the control execution, as well as measurement noises. Furthermore, the control design is validated by experimental results conducted in a tank using a model ship.     

Adaptive tracking control of MIMO nonlinear nonminimum phase system with unknown input nonlinearity

This paper proposes a nonlinear adaptive control for output tracking of multi‐input multi‐output nonlinear nonminimum phase system with input nonlinearity. The parameters of the input nonlinearity are assumed to be unknown. This problem is challenging, not only because of the unstable internal dynamics of nonminimum phase system, but also the existence of the unknown input nonlinearity. The partially linearized model of the original system is obtained through input/output linearization, and a states tracking model is constructed based on the computed ideal internal dynamics. A nonlinear adaptive controller, which can guarantee the bounded of output tracking error in the existence of unknown input nonlinearity, is proposed. Finally, a numerical simulation on vertical takeoff and landing aircraft is given to show the effectiveness of the proposed control methods.     

互联非线性系统反馈主导控制设计方法及汽门开度控制应用

分析了电力系统非线性的数学性质,指出电力系统非线性是一种有界非线性.在此基础上,将反馈主导方法(feedback domination method,FDM)引入多机电力系统非线性控制.该方法与反馈线性化方法不同;反馈线性化方法是通过反馈将原非线性系统转化为线性系统,反馈主导方法则是通过反馈将原非线性系统转换为特定形式的非线性系统,该特定形式的非线性系统的动态由反馈引入的非线性部分主导.以多机系统非线性汽门控制问题为例,设计了反馈主导非线性汽门控制器,该控制器仅包含本地量测量,易于实现.数值仿真表明,多机系统反馈主导非线性汽门控制器可显著提高电力系统暂态稳定性.     

Tracking and robustness analysis for controlled microelectromechanical relays

The feedback control problem for microelectromechanical (MEM) relays is complicated by a quadratic nonlinearity in the dynamic model. We show that this nonlinearity imposes constraints on the reference trajectories that can be tracked and on the global convergence rate of the tracking error. Using a dynamic model that is applicable to both electrostatic and electromagnetic MEM relays, we introduce a new class of nonlinear tracking controls. In particular, we use Lyapunov theory to construct a state feedback that yields uniform global asymptotic stability and arbitrarily fast local exponential convergence of the tracking error. We then show how our control can be redesigned with partial‐state feedback under the assumption that only the movable electrode position and the electrical state (i.e. charge or flux) are fed back. Finally, we utilize input‐to‐state stability theory to quantify the robustness of our state feedback controller to parametric uncertainties. Our simulation results illustrate the good stability and tracking performance of the proposed control. They also illustrate how to craft a reference trajectory that satisfies the aforementioned constraints while being compatible with a typical relay operation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.