平流层卫星轨道控制建模与仿真研究

平流层卫星由超压气球提供静浮力,气动帆提供轨道控制力,系绳传递各力.能够在一定纬度范围内沿东西方向缓慢运动,因此平流层卫星是一种良好的通信与对地观测平台.首先分析平流层风场特性,给出平流层卫星的组成与工作原理,采用"质量-集中弹性绳"模型,把气球和气动帆分别看作系绳节点,根据各部分动力学特性分别建模;采用Matlab软件平台进行动态仿真,利用不同海拔之间的风速差,产生侧向控制力进行南北方向轨道控制的方法.仿真结果证实气动帆轨道控制系统能够实现平流层卫星南北方向的稳定控制与机动调整.     

平流层卫星系绳的建模与仿真

研究平流层卫星系绳轨迹建模分析可靠性问题,根据平流层卫星所用系绳的特性,要求高强度和足够的侧向控制力.为此提出了“质量集中-轻质钢杆”模型,并给出模型的求解过程.模型考虑了系绳自身质量及所受气动力,通过迭代计算,可求出系绳形状及系绳张力的变化.在给定轨迹控制器的高度及平衡轨迹控制器所需的拉力大小和方向后,计算出系绳传递到气球的拉力大小及方向,绘制出了系绳的形状.仿真结果表明,“质量集中-轻质钢杆”模型能够符合系绳在风场和自身重力作用下的传递的拉力和自身动态特性,为平流层卫星系绳系统优化设计提供了参考.     

主旋翼升力和机身姿态受限的模型直升机非线性控制

针对主旋翼升力和机身姿态受限的6自由度模型无人直升机的轨迹跟踪控制问题设计了一种非线性控制器.在控制器设计过程中,直升机的数学模型被简化为三个子系统: 姿态子系统,纵-侧向子系统和高度子系统,所设计的控制器由针对这三个子系统的子控制器组成.纵-侧向和高度子控制器基于双曲正切函数进行设计,以保证满足受限条件; 姿态子控制器利用反步法设计,使得机身姿态能够跟踪纵-侧向和高度子系统的虚拟控制.本文在理论上证明了闭环系统跟踪误差最终有界,并且控制器满足受限条件.仿真结果证实了所设计控制器的性能.     

极涡风场中平流层浮空器轨迹仿真研究

为实现平流层浮空器绕极地飞行,结合极地地区的环境特征,建立了极地风场模型与太阳辐照模型、平流层浮空器动力学模型以及太阳电池与蓄电池相结合的循环能源模型.利用极地地区特有的极涡风场,设计了平流层浮空器轨迹控制策略,以纬向风作为动力在东西方向上飞行,考虑风场紊流影响,通过螺旋桨对浮空器在南北方向上的偏移施加控制.仿真结果表明,在推进功率等约束条件下,采用PID控制方法的浮空器在受到干扰产生偏移时仍然能够回到预定的轨迹,证明了利用极涡风场和控制策略实现平流层浮空器绕极地飞行的可行性.     

三自由度直升机模型跟踪控制

针对三自由度直升机模型中存在的轴间强耦合和非线性的特性,采用系统分解与输入-状态反馈的线性化方法,对非线性耦合模型进行精确线性化处理,实现了系统解耦与线性化,并简化了控制器设计结构.首先应用拉格朗日方法对系统进行力学仿真分析.通过建立直升机的精确模型,将模型分解为两个子系统,利用状态线性化,得到简单的线性系统.分别采用无静差跟踪方法与伺服控制方法设计子系统控制器,改善了系统性能,实现了对参考输入的无静差跟踪.仿真表明,方法提高了系统稳定性,轨迹跟踪效果好.     

力矩输入有界的柔性关节机器人轨迹跟踪控制

为解决柔性关节机器人在关节驱动力矩输出受限情况下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于奇异摄动理论的有界控制器.首先,利用奇异摄动理论将柔性关节机器人动力学模型解耦成快、慢两个子系统.然后,引入一类平滑饱和函数和径向基函数神经网络非线性逼近手段,依据反步策略设计了针对慢子系统的有界控制器.在快子系统的有界控制器设计中,通过关节弹性力矩跟踪误差的滤波处理加速系统的收敛.同时,在快、慢子系统控制器中均采用模糊逻辑实现控制参数的在线动态自调整.此外,结合李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,通过仿真对比实验验证了所提出控制方法的有效性和优越性.     

水上无人机自主着水控制系统设计

针对水上无人机在高海况下的着水问题,本文在分析了不同着水阶段特性的基础上,提出了一种自主着水控制系统设计方案.该方案将整个系统分为速度控制子系统和姿态控制子系统.速度控制子系统包含速度动态逆控制器和油门切换模块,姿态控制子系统包含海浪滤波器俯仰角反步控制器、高度PID控制器、俯仰角切换模块和T-S模糊推理模块.其中,海浪滤波器能有效滤除受扰姿态角中的海浪高频扰动,避免了着水之后舵面的频繁抖动;俯仰角反步控制器采用指令滤波的反步法设计,有效缓解了高海况下的舵面饱和问题.最后,在不同海况条件下进行了仿真.仿真结果表明所设计的控制系统具有良好的控制性能.     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

近空间飞行器再入段复合控制系统设计研究

针对近空间飞行器再入时飞行空域较大,为保证剧烈变化环境下的姿态控制能力,需采用脉冲推力器和气动舵进行复合控制.协调工作原理和特性不同的执行机构以满足系统性能指标.基于减小复合控制器构型影响考虑,采用前馈-反馈复合控制器,以气动舵子系统构筑前馈回路,将复合模式下的控制系统设计问题转化为RCS子系统单回路设计,并通过对极限环特性分析给出纵向非线性控制律设计方法.仿真验证表明了气动舵输出平缓、推力器满足最大工作频数限制、姿态误差小于0 5度.仿真结果证明,方法在处理含有异类执行机构的近空间飞行器复合控制律设计问题是有效的.     

空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应控制器设计

针对空间绳系机器人（Tethered space robot,TSR）目标抓捕过程中的稳定控制问题,建立空间绳系机器人系统模型,根据阻抗控制原理,设计基于位置的阻抗控制方法;针对空间绳系机器人系统的模型不确定性问题,利用神经网络对不确定性进行估计补偿,设计鲁棒项对空间系绳干扰和神经网络估计误差的影响进行抑制,在此基础上设计空间绳系机器人目标抓捕鲁棒自适应稳定控制器,并进行稳定性证明.最后对设计的控制器进行仿真验证.作为对比,对无鲁棒项自适应的稳定控制器进行仿真.仿真结果表明,设计的基于阻抗控制的鲁棒自适应控制可以实现对空间绳系机器人目标抓捕过程中的稳定控制,与无鲁棒项自适应的稳定控制器仿真结果相比,本文采用的鲁棒自适应控制方法可以有效地对不确定性进行补偿,控制过程中超调量更小,收敛时间更短,并且控制精度更高.     

平流层飞艇轨迹跟踪控制设计

基于轨迹线性化控制（TLC）理论提出了一种全驱动平流层飞艇轨迹跟踪控制设计的新方法.该方法由期望姿态生成、运动学控制和动力学控制3部分组成.首先利用期望轨迹的Frenet标架构造期望的艇体坐标系,导出期望姿态的计算公式;然后将系统运动学部分按照移动和转动分解,动力学部分按纵向与横向分解,将整个系统划分为4个回路,并分别用TLC理论进行控制设计,避免了设计时对全系统求逆的困难;最后给出了控制方法的计算步骤和平流层飞艇跟踪典型轨迹的仿真结果,结果验证了所提出方法的可行性.     

Intelligent rudder control of an unmanned surface vessel

Trajectory tracking control for unmanned marine surface vessels (USV) is quite complex because of the strongly non-linearity of the system and the presence of uncertainties and environmental changing conditions. To face those issues, in this paper intelligent and conventional strategies are used as the main control framework for the rudder angle of an USV. The guidance law calculates the desired angle and estimates the trajectory based on the dynamic model of the autonomous ship, which has been generated from real data obtained from experiments with a scale prototype. The model accounts for the physical limitations of both the rudder and the ship propulsion system. An adaptive control law is first proposed which is suitable for any different trajectory and can deal with varying path shapes. This gain scheduling approach utilizes PID controllers whose tuning parameters have been optimized by genetic algorithms (GA) for the different operation points (GS-PID-GA). Besides, a fuzzy logic controller (FLC) is designed to deal with the uncertainties of the dynamics and to include the expertise of an operator. Simulations validate the effectiveness of the proposed control approaches that have been compared with conventional control.     

Coordinating multiple optimization-based controllers: New opportunities and challenges

The status of using many, distributed optimization-based controllers for feedback control of large-scale, dynamic processes is presented and evaluated. We show that modeling the interactions between subsystems and exchanging trajectory information among subsystem model predictive controllers (MPCs) is insufficient to provide even closed-loop stability. The cause of this closed-loop instability is competition between the local agents. We next discuss the cooperative distributed MPC framework, in which the objective functions of the local MPCs are modified to achieve systemwide control objectives. This approach provides guaranteed nominal stability and performance properties, but at the cost of a high degree of communication between the local controllers. We next discuss the issue of taking advantage of the structure of the connections between the subsystems to reduce the required communication. The paper concludes by briefly presenting seven current and unsolved research challenges.     

含未校准摄像机参数的非完整移动机器人自适应动态反馈跟踪控制

研究基于视觉伺服的不确定非完整移动机器人的跟踪控制问题.基于视觉反馈和状态输入变换,提出一类非完整运动学系统的不确定模型,并运用两个新的变换,对3种不同情况分别设计自适应动态反馈控制器来跟踪不确定系统的期望轨迹.利用李雅普诺夫方法和推广的Barbalat引理,严格证明了误差系统的收敛性.仿真结果验证了所提方法的有效性.     

欠驱动船舶的运动规划和全局指数跟踪控制

针对目前欠驱动船舶航迹跟踪控制难以实现跟踪任意可行航迹问题,提出一种运动规划方法。利用多项式拟合,并结合船舶动力学模型,通过离散期望点规划出操作性可实现的全部期望姿态。同时,为实现欠驱动船舶的航迹快速跟踪控制,提出一种全局指数航迹跟踪控制律。引入微分同胚变换,建立两个级联的子系统构成的航迹跟踪误差动态方程;基于反步法的设计原理,运用Lyapunov直接方法对变换后的误差系统设计了全局指数航迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提出的全局指数航迹跟踪控制律能够有效实现跟踪任意可行航迹。     

考虑运动受限的履带式移动机器人轨迹跟踪控制

针对履带式移动机器人的轨迹跟踪控制问题进行研究,首先,建立了履带式移动机器人的运动学模型和跟踪误差模型;其次,设计了转速有限时间控制和线速度滑模控制的轨迹跟踪控制律,并给出了考虑运动受限作用下的控制律修正表达式;最后,基于MATLAB对所提控制律进行仿真,对比分析了不考虑运动受限情况下跟踪控制效果;结果表明,设计的跟踪控制律能够实现履带式移动机器人对圆轨迹的有效跟踪,且考虑运动受限作用的控制律更加符合实际;文章研究分析了运动受限作用对于移动机器人轨迹跟踪控制的影响,分析结果对其他移动机器人的运动控制研究具有参考价值。     

工业大系统双层结构预测控制的集中优化与分散控制策略

为降低工业大系统模型预测控制(Model predictive control,MPC)在线计算复杂度,同时保证系统的全局优化性能,提出一种集中优化、分散控制的双层结构预测控制策略.在稳态目标计算层(Steady-state target calculation, SSTC),基于全局过程模型对系统进行集中优化,将优化结果作为设定值传递给动态控制层;在动态控制层,将大系统划分为若干个子系统,每个子系统分别由基于各自子过程模型的模型预测控制进行控制,为减少各子系统之间的相互干扰,在各个子系统之间添加前馈控制器对扰动进行补偿,提高系统的总体动态控制性能.该策略的优点在于能确保系统全局最优性的同时降低了在线计算量,提高了工业大系统双层结构预测控制方法的实时性.仿真实例验证该方法的有效性.     

基于非线性单元模型的绳系卫星系统动力学

建立连续绳系卫星系统的离散的可变自由度有限维动力学模型,描述其长时间空间大范围运动.绳系卫星系统为复杂的非线性动力学系统.考虑了系绳的黏弹性、分布质量和空间位形,使得建立的改进珠式模型能够细致地描述系绳的纵横向振动.根据绳索只能受拉而不能抗压的特性引入了系绳单元的松弛模型,准确反映系绳真实受力情况.研究了系统自由度改变...     

On trajectory and force tracking control of constrained mobile manipulators with parameter uncertainty

This paper studies the trajectory and force tracking control problem of mobile manipulators subject to holonomic and nonholonomic constraints with unknown inertia parameters. Adaptive controllers are proposed based on a suitable reduced dynamic model, the defined reference signals and the mixed tracking errors. The proposed controllers not only ensure the entire state of the system to asymptotically converge to the desired trajectory but also ensure the constraint force to asymptotically converge to the desired force. A detailed numerical example is presented to illustrate the developed methods.