连续力矩时间最优姿态机动控制器参数优化设计

研究了时间最优姿态机动的控制器参数优化设计问题。基于一类采用拟欧拉角和绝对角速度为反馈信号的姿态机动控制模型,以其控制器参数为优化变量,机动时间为优化指标,建立了时间最优的姿态机动控制器参数优化模型。采用一类全局收敛的连续模拟退火算法完成了控制器参数的优化设计。仿真结果表明：(1)控制器参数优化可以有效地缩减姿态机动时间,经过优化的控制器参数减少了16．5％的机动时间;(2)模拟退火算法保证了控制器参数优化的全局最优性;(3)机动时间的减小是以增大最大控制力矩为代价的。     

THAAD拦截弹能量管理控制机动的策略与仿真

THAAD拦截弹是世界上少数能够进行能量管理控制机动的防空导弹之一。针对THAAD拦截弹先进的能量管理控制机动,从动力学模型、控制机制、运动学模型等方面提出了一套完整的方案。建立了非线性、强耦合、时变参数的大侧滑角弹体动力学模型,利用基于微分几何理论的反馈线性化技术将其解耦线性化,并设计了控制器实现姿态角的控制;建立了基于螺旋坐标系的运动学模型,并投影到地面坐标系来描述THAAD拦截弹的运动;最后通过六自由度仿真证明了该方案能够实现能量管理控制机动。     

刚体飞行器姿态机动的模型预测控制方法

针对一类刚体飞行器的姿态机动问题,提出了一种将飞行器姿态驱动到设定姿态的模型预测控制算法。通过构造合适的控制性能指标函数,对经反馈线性化处理的飞行器姿态运动方程设计了模型预测控制器。由于预测控制的一个重要特征是能实现对设定参考点或参考轨迹的有效跟踪,因此将要解决的飞行器姿态机动问题转化为对设定姿态的跟踪问题。仿真结果表明,所提出的模型预测控制算法成功实现了飞行器的姿态机动。     

关于大角度范围内四元数与欧拉角转换的思考

在存在大角度姿态机动的场景中,航天飞行器通常采用基于姿态四元数的姿态运动模型,同时又多以欧拉角形式给定其期望姿态,因此研究四元数到欧拉角的转换关系十分必要.但是,姿态四元数与欧拉角之间并不存在一一对应的关系.以飞行器姿态为纽带,依据姿态四元数和欧拉角与飞行器姿态之间的内在关系,对各种可能出现的情形进行分析,在控制所对应的期望姿态的牵引下,确定出符合姿态控制利益的姿态四元数到欧拉角的转换关系.鉴于姿态四元数到欧拉角转换关系的复杂性,在飞行器进行大角度姿态机动控制时,建议采用基于四元数的姿态运动模型.     

基于四元数的大角度姿态机动反馈线化控制

采用一套基于旋转群代数的表示姿态误差的新方法,并采用非线性系统的反馈精确线化理论,用基于旋转群代数缩减四元数表征的姿态误差,以缩减四元数描述所得的系统姿态动力学方程为基础,将挠性振动部分做为零动态子系统处理,构造了能够实现精确的线性姿态误差动态特性的挠性飞行器大角度三维姿态机动非线性解耦控制律,并得到了仿真验证。     

基于平方和优化的飞行器大角度姿态机动保性能控制器设计

研究飞行器大角度姿态机动状态反馈保性能控制器设计问题。采用修正的Rodrigues参数建立了飞行器姿态控制运动模型,将非线性的飞行器姿态系统模型转化为线性参数可变模型(LPV模型)。将平方和优化技术和Lyapunov理论相结合,给出了飞行器大角度姿态机动保性能控制器设计方法。仿真结果表明了所提方法的有效性。     

无人机倾斜转弯非线性飞行控制系统设计

研究无人机(UAV)的倾斜转弯(BTT)飞行控制系统的设计方法,解决UAV高机动倾斜转弯飞行时运动强烈耦合、气动特性强非线性和参数非定常性等特性带来的飞行控制系统设计难题。采用线性二次型最优调节规律对UAV非线性运动零动态系统进行增稳调节;运用非线性控制系统中精确反馈线性化方法对UAV非线性系统进行线性化处理;运用滑模变结构控制方法设计了UAV的BTT控制规律,得到由增稳最优调节规律和滑模变结构控制规律构成的UAV的BTT非线性鲁棒飞行控制系统。基于无人机六自由度非线性动力学模型,进行BTT非线性飞行控制系统数字仿真,仿真结果表明：该控制系统即使在扰动条件下也能达到满意的控制品质,控制糸统的鲁棒性和控制精度能满足UAV高机动倾斜转弯飞行时的控制要求。     

基于姿态反馈实现过载跟踪的飞行器控制方法

针对依靠气动力提供控制力和控制力矩的飞行器,在构建俯仰-偏航通道非线性数学模型的基础上,提出一种兼顾机动能力和姿态稳定性能的飞行器控制系统设计方法。基于飞行器过载与姿态的等效转换,将制导律计算的过载指令转化为姿态角指令,进而通过以姿态角反馈为主、过载补偿为辅的控制系统设计实现对过载指令的精确跟踪。通过频域相对稳定性分析,验证该方法的稳定性;通过飞行器6自由度仿真,验证该方法在各项随机误差下既能够实现制导对过载的跟踪要求,又达到对飞行器姿态进行鲁棒稳定控制的目的。研究结果表明,该方法简单可靠,具有良好的动态特性和很强的鲁棒性,已得到工程应用验证。     

特种重型车辆质心测试平台的运动学标定

对特种重型车辆质心测试平台的组成结构及工作原理进行介绍,并建立质心测试平台的运动学模型。利用安装在运动平台中心的倾角传感器作为姿态测量仪器,提出一种基于Gauss-N ewton最小二乘算法的运动学参数标定方法,并利用该方法对质心测试平台的14个运动学参数进行辨识。通过计算机仿真,对标定方法进行验证,从而为提高质心测试平台的测量精度奠定理论基础。     

分布式电驱动车辆极限越野环境下高速避障与稳定性控制

为提高分布式电驱动车辆在极限越野环境下的高速避障能力和操纵稳定性,提出一种充分考虑车辆过弯姿态反馈的分层协调横向稳定性控制方法。上层控制器将多模型在线建模算法与非线性模型预测控制理论相结合,构建一种基于数据驱动多模型预测控制的横摆、侧倾运动协调控制器。由于车辆不同的横向失稳状态下最优控制中心是时变的,细化并重构一种双层融合型横摆运动动力学模型。考虑到越野工况存在时变道路曲率和侧向坡度,建立零力矩点侧倾失稳判断模型,在横摆稳定性控制基础上引入侧倾稳定性控制约束。下层控制器结合各轮胎滑动率和垂直载荷转移量,采用二次规划求解算法将融合型期望横摆力矩转化为各轮最优驱动转矩。搭建MATLAB/Simulink软件和Carsim软件联合仿真平台,进行仿真实验验证。结果表明,该分层协调控制策略可充分发挥分布式电驱动车辆在极限越野工况下的高机动转向性能,具有较强的车身姿态修正能力,可以提高车辆的路径保持精度和过弯横向稳定性。     

基于虚拟元件的负载型四足步行平台静步态行走控制

传统的基于逆运动学或逆动力学静步态行走控制方法易导致步行平台足端与地面产生较大冲击力、机体轨迹产生较大跟踪误差,使步行平台出现稳定性问题。为实现负载型四足步行平台静步态柔顺稳定行走,提出一种基于虚拟元件的静步态行走控制方法。将步行平台静步态行走控制分为机体运动控制及摆动腿运动控制两部分,分别在机体各自由度及摆动腿各自由度添加虚拟弹簧阻尼元件,将机体与摆动腿控制转换为虚拟力控制。运用序列二次规划方法将机体虚拟力分配到支撑腿足端。结合各腿的雅克比矩阵,得到支撑腿与摆动腿的驱动关节力矩,并设计了步行平台静步态行走状态机。运用MATLAB与ADAMS软件建立四足步行平台仿真模型,对平台静步态行走进行联合仿真。仿真结果表明,虚拟元件控制实现了步行平台复杂地形静步态平稳行走,平台能够适应复杂地形变化,足端与地面冲击力较小,证实了所提虚拟元件控制方法的有效性。     

多作动器协同的特种车辆行车调平控制方法

针对国防军事、应急救援等国计民生重要领域中特种车辆行车调平的需求,基于多智能体一致性协同控制相关理论,提出多作动器协同的行车调平方法。将整车垂向模型分解为由作动器驱动的带有相互耦合特性的多智能体悬架节点,建立悬架节点动力学模型。构建基于悬架动行程的趋势引导动态基准和基准误差,摆脱现有调平方法对车身质心铅垂高的依赖,提出基于动态基准误差的多作动器协同行车调平方法。基于汽车系统仿真软件Carsim验证所提方法的有效性。研究结果表明,与整车型调平方法对比,所提方法更好地实现行车调平,调平精度提高了1到2个数量级;研究结果有助于进一步丰富和完善主动悬架控制技术体系,为解决特种车辆行车调平问题提供了全新思路和具体方法。     

主动悬挂履带车辆半车模型最优控制研究

应用系统动力学理论,建立了一个履带车辆半车模型,并根据线性二次型最优控制理论设计主动悬架控制器．通过仿真和模拟的结果,验证了该模型的合理性和控制算法的有效性．最后,分析了线性最优控制方法在履带车辆上应用的优势和不足．     

重复使用运载器再入动力学建模研究

通过对重复使用运载器再入动力学建模技术的研究,提出以再入飞行器导航常用的WGS-84世界大地坐标系为参考,在北天东坐标系建立飞行器再入质心动力学方程和描述飞行姿态的建模方法,建立可兼顾再入返回和高精度着陆需求的通用刚体动力学模型;借鉴运载火箭与导弹等弹性飞行器动力学模型的应用经验,提出混合坐标法,首先用准坐标系描述飞行器等效刚体的刚性平动和转动,然后用有限元理论描述弹性飞行器相对于等效刚体的复杂弹性振动,最后利用弹性变形引起的附加攻角和侧滑角产生的附加力和力矩体现刚体和弹性振动耦合的刚弹耦合动力学模型建模方法,并基于再入通用刚体动力学模型建立适用于面对称重复使用运载器的再入刚弹耦合动力学模型。结果表明:建立的重复使用运载器再入动力学模型充分考虑了地球椭球体和自转的影响,模型物理意义明确,工程实用性强。     

大推力捆绑运载火箭传力路径优化设计

以新一代大推力捆绑火箭捆绑装置设计为研究背景,开展助推器传力路径优化设计研究。在方案初步优选的基础上,基于i SIGHT建立大推力捆绑火箭传力路径优化平台,针对现有优化方法的不足,选用多岛遗传(Multi-Island Genetic Algorithm,MIGA)+二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)组合优化算法进行传力路径优化设计,从而大幅优化了捆绑联接结构载荷。该方法可为大推力捆绑运载火箭方案设计提供参考和依据。     

自行火炮行进间动力学模型及仿真研究

本文采用多刚体系统动力学综合技术对自行火炮在行进过程中的运动和受力进行了分析,以自行高炮为例,将系统划分为车体、炮塔、火炮、跟踪平台回转体和跟踪平台俯仰体等五个刚体,各刚体之间存在相对运动,整个系统由悬挂装置和履带弹性支撑在地面上.自行火炮系统具有七个自由度,建立了系统动力学模型,其中动力学方程的最终形式可由程式化软件来完成.对自行火炮在搓衣板型和麻花型路面上行驶时的动力学特性进行了仿真分析,得到了车体俯仰和滚转的运动规律.研究成果对于自行火炮总体设计和运动性能评估具有重要的参考价值.     

履带车辆变型设计中车体姿态调整方法研究

为解决履带车辆变型设计中车体姿态调整问题,提出了一种基于虚拟样机技术和参数优化技术的新方法.建立变型履带车辆的多体动力学模型并进行了实验验证;选择平衡肘预安装角作为设计变量,以车体距地高为约束条件,车体姿态参数为目标函数进行了优化;对优化后的车辆车体姿态及扭杆弹簧最大剪应力进行了校核,证明了本文提出的车体姿态调整方法的...     

履带式车辆半主动悬挂的自适应控制

根据军用履带式车辆对悬挂系统的要求,对半主动悬挂1/4车模型进行了理论分析,在此基行础上对控制模型在有限带宽内进行了降阶简化.以振动加速度和悬架变形的加权二次型最小为控制性能指标,进行了线性高斯二次控制器(LQG)的设计,并以此作为模型参考自适应控制系统的参考模型.运用李雅谱诺夫稳定性理论设计了直接模型参考自适应控制系统(MRAC).仿真研究表明,MRAC能够适应悬架系统参数的变化,跟踪LQG控制的最优性能,该系统对路面变化和悬架系统参数变化均具有良好的自适应性和鲁棒性.