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输入量化下航天器位姿一体化预设时间控制

航空学报 2023年第22期44卷 223-241页

作者：张洪珠叶东孙兆伟哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

航天器在轨抢修或维护等空间近距任务中,往往要求执行任务的航天器在限定的时间窗口和有限通信带宽的条件下,实现对目标的位姿跟踪。针对其姿轨耦合控制问题,提出了一种带有输入量化的姿轨一体化预设时间控制方法。首先,在Lie群SE(3)框... 详细信息

航天器在轨抢修或维护等空间近距任务中,往往要求执行任务的航天器在限定的时间窗口和有限通信带宽的条件下,实现对目标的位姿跟踪。针对其姿轨耦合控制问题,提出了一种带有输入量化的姿轨一体化预设时间控制方法。首先,在Lie群SE(3)框架下,建立了相对运动航天器位姿一体化误差动力学模型。其次,引入了输入量化机制,减小控制器到执行机构间的通信频次。接着,基于推导的实际预设时间稳定引理,结合反步法设计了一种非奇异预设时间位姿跟踪控制器。为提高系统鲁棒性,设计新型自适应律估计并补偿系统总扰动,并利用量化器参数抑制量化误差;该方法能够在不依赖系统初始状态、输入量化和扰动信息未知的情况下实现预设时间内稳定,且稳定时间上界可由一个控制参数预先设定。然后,基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后,数值仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：在轨维护位姿一体化控制李群SE(3) 输入量化预设时间控制

面向半潜式海上风电机组的预设时间控制方法研究

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面向半潜式海上风电机组的预设时间控制方法研究

作者：金方俊重庆大学

学位级别：硕士

目前,挪威、日本、葡萄牙等国先后建成了不同基础类型数兆瓦级的浮式风电机组,并确立长远的深海风能开发计划,将深海风力能源开发作为其能源战略的重要发展方向之一。我国深远海风资源丰富,开发潜力巨大,漂浮式风电机组对沿海环境影响... 详细信息

目前,挪威、日本、葡萄牙等国先后建成了不同基础类型数兆瓦级的浮式风电机组,并确立长远的深海风能开发计划,将深海风力能源开发作为其能源战略的重要发展方向之一。我国深远海风资源丰富,开发潜力巨大,漂浮式风电机组对沿海环境影响小、机位受海域限制小,适用于深远海风资源开发。相比定桩式风电机组,漂浮式风电机组运行环境复杂,浮式支撑会产生大偏移、大幅度运动,对机组运行的安全性、稳定性提出了严峻挑战。而依然沿用传统控制器将很难适应平台运动,鉴于此,论文结合浮式基础平台的特点,选择适于我国海域深度与环境特点的半潜式海上风机作为研究对象,开展功率控制和减载控制研究,旨在为我国深海风电资源开发进行有益的探索。论文的主要工作如下:(1)针对漂浮式海上风电机组此类强耦合强外界干扰的非线性系统,结合空气动力学、水动力学、结构动力学,建立了“风机—塔架—基础—系泊”组成的系统多体动力学模型。(2)利用美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)FAST和Matlab软件,对半潜式基础平台的动态响应展开研究。分别展开风浪联合作用、浪向角、风轮旋转速度等不同因素对半潜式基础平台所产生的运动影响研究。通过系泊系统参数灵敏度分析,探究不同结构参数与平台运动之间的关联关系,从而进一步剖析浮式平台的动力学特征,为控制方法设计奠定基础。(3)鉴于传统控制器是基于系统线性化的控制方法,导致在整个工作域内实现机组控制需要较大调节工作量,且控制效果不佳。论文提出一种基于预设时间非线性控制方法的变桨控制方案,该总体方案由统一变桨和独立变桨组成。其中功率调节的控制目标由统一变桨实现,结构减载的控制目标由独立变桨实现。与传统的增益调节比例积分控制器进行仿真比较,从而验证所提出的控制方法对漂浮式风电机组稳定输出功率、抑制结构载荷以及约束平台运动性能的良好效果。

关键词：漂浮式海上风电机组浮式平台运动特性减载控制功率控制预设时间控制

基于非线性干扰观测器和类故障模型的车辆队列预设时间容错滑模控制

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控制理论与应用 2024年

作者：李擎孙鹏郭祥贵北京科技大学自动化学院北京市工业波谱成像工程技术研究中心

针对车辆队列控制中存在的执行器死区、信号量化、非线性模型不确定性、未知外部干扰和执行器故障方向时变未知等问题,本文提出了一种基于类故障模型和非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO)的预设时间容错滑模控制(Sli... 详细信息

针对车辆队列控制中存在的执行器死区、信号量化、非线性模型不确定性、未知外部干扰和执行器故障方向时变未知等问题,本文提出了一种基于类故障模型和非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO)的预设时间容错滑模控制(Sliding-model Control, SMC)策略.将量化和死区模型转化为类故障模型,简化了控制器的设计.采用Nussbaum型函数解决了执行器故障方向未知问题.通过引入非线性干扰观测器准确地估计包括非线性不确定性和外部扰动等构成的集总干扰.此外,结合滑模控制和预设时间函数方法实现了在预设时间内将队列跟踪误差限制在预定区域,同时避免碰撞并保持通信.最后,通过数值仿真,验证了所提控制方案的有效性和优越性.

关键词：类故障模型非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer, NDO) 预设时间控制滑模控制(Sliding-mode Control, SMC) 未知故障方向车辆队列

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VTHL运载器再入返回预设时间滑模控制

航空学报 2023年第7期44卷 149-162页

作者：徐世昊关英姿浦甲伦韦常柱哈尔滨工业大学航天工程系哈尔滨150001

针对模型参数不确定和存在外部干扰的垂直起飞水平着陆(VTHL)可重复使用运载器再入返回姿态跟踪控制问题,提出一种新型预设时间滑模控制方法,使姿态控制误差收敛时间上界与再入初始状态无关且可预先设定。首先基于反正切函数设计预设时... 详细信息

针对模型参数不确定和存在外部干扰的垂直起飞水平着陆(VTHL)可重复使用运载器再入返回姿态跟踪控制问题,提出一种新型预设时间滑模控制方法,使姿态控制误差收敛时间上界与再入初始状态无关且可预先设定。首先基于反正切函数设计预设时间非奇异滑模面,状态量在滑模面可在预设时间内收敛;其次预设时间滑模控制律,引入正弦补偿函数避免控制量出现奇异,以保证滑动模态在预设时间内到达;为提高控制系统鲁棒性并减弱抖振,采用预设时间扩张状态观测器对扰动进行估计和补偿;最后基于Lyapunov理论,证明了控制律可使姿态控制误差在预设时间内收敛;通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

关键词：垂直起飞水平着陆(VTHL)运载器再入返回预设时间控制滑模控制扩张状态观测器

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刚体航天器预设时间预设精度姿态跟踪控制

哈尔滨工业大学学报 2023年第8期55卷 18-24页

作者：王云腾肖岩叶东孙兆伟哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

为研究刚体航天器在上界已知的外部扰动力矩作用下的姿态跟踪控制问题,提出了一种可以指定跟踪精度的预设时间姿态跟踪控制策略。首先,设计了一种预设时间扰动观测器,此观测器可以在指定的时间以内实现对有界外部扰动的高精度在线估计,... 详细信息

为研究刚体航天器在上界已知的外部扰动力矩作用下的姿态跟踪控制问题,提出了一种可以指定跟踪精度的预设时间姿态跟踪控制策略。首先,设计了一种预设时间扰动观测器,此观测器可以在指定的时间以内实现对有界外部扰动的高精度在线估计,利用其估计值可以对外部扰动力矩进行补偿。然后,在此扰动观测器的基础上,运用终端滑模控制方法,设计了一个(准)终端滑模面并构造了一个连续非奇异终端滑模姿态跟踪控制器。Lyapunov理论分析表明,本研究所提观测器、滑模面和控制器的收敛时间上界以及收敛完成以后姿态跟踪的误差上界均显式存在于观测器、滑模面和控制器的有关参数中,因而可以在控制器设计过程中很方便地对其进行调节,且不受初始条件的制约。最后,通过数值仿真验证了所提控制策略的性能。仿真结果表明,无论是收敛速度还是跟踪精度,预设值都是一个比较宽松的上界,实际性能有可能远远优于预设值,并且此算法对系统的建模不确定性也有比较好的鲁棒性。

关键词：刚体航天器姿态跟踪控制预设时间控制扰动观测器终端滑模

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多智能体系统前置时间一致性研究

多智能体系统前置时间一致性研究

作者：于子程南京邮电大学

学位级别：硕士

多智能体系统是目前非常火热的研究方向,一方面是由于科学技术的快速发展,尤其是在计算机技术、自动控制、网络通讯等领域的不断突破使得多智能体系统的研究可以从理论落地为现实应用。另一方面也是在面对日益严苛的实际需求下,人们急... 详细信息

多智能体系统是目前非常火热的研究方向,一方面是由于科学技术的快速发展,尤其是在计算机技术、自动控制、网络通讯等领域的不断突破使得多智能体系统的研究可以从理论落地为现实应用。另一方面也是在面对日益严苛的实际需求下,人们急需一个高效灵活的解决方案,多智能体系统可以有效克服单个智能体中诸如资源浪费、协调困难、操作复杂的不足。在森林灭火、空域巡逻、精确打击等场景中,多智能体系统都可以发挥极大的价值,高效完成任务。一致性问题是在研究多智能体系统时的关键问题,通过设计一个合适的一致性算法可以实现多个智能体的状态达到相同,而收敛速度是衡量一致性算法控制效果好坏的关键性能指标。关于控制算法收敛速度的研究已经经历了从渐近时间、有限时间、固定时间到预设时间的长足发展。预设时间控制算法可以使系统在任意给定的预设时间内实现稳定,且该预设时间与系统的初始状态和控制参数无关,其一经提出就得到了广泛的关注。但是在对预设时间控制算法的进一步研究中发现,当系统比较复杂或者存在复杂扰动时,系统状态会在预设时间点附近出现跳变,即控制输入突然增大,这会给实际应用埋下安全隐患。经过进一步的研究发现,跳变问题主要是由于系统在预设时间点附近与目标状态存在微小误差同时此时的控制增益又趋向于无穷大,导致控制输入突然增大。针对这个问题,有学者提出了前置时间的控制算法,其核心思路在于让系统稳定的时间前置。前置时间算法设计了新型的时变度量函数,可以使控制器在预设时间点前就进行切换,使系统在预设的时间内达到稳定且不会出现跳变。本文就是在前置时间控制算法的现有成果上展开的研究,主要的贡献和创新如下:(1)本文将前置时间控制算法拓展到二阶系统中,设计了基于加幂积分的二阶带扰动系统前置时间控制算法。利用加幂积分判别方法设计的控制算法主要是有限时间的结果,本文对其进行了拓展,设计了带有时变度量函数的加幂积分误差函数,并结合带有加幂积分项的李雅普诺夫函数进行了详细的稳定性分析。在本文所提出的控制算法下,二阶系统可以在任意给定的时间内实现稳定且具有良好的抗扰动性能。(2)为解决复杂多智能体系统下预设时间控制算法中出现的跳变问题,本文针对一阶多智能体系统提出了前置时间平均一致性算法。本文构造了一个新型的时变度量函数,并设计了前置时间平均一致性控制器,同时对系统的收敛时间上限提出了两种估算方式,最终系统可以在任意给定的预设时间内实现平均一致性,且不会出现跳变。(3)基于加幂积分判别方法,本文设计了一个针对二阶多智能体系统的前置时间一致性算法。针对多智能体系统,设计时变度量函数,并结合其构造系统的目标状态函数和加幂积分误差函数。给出带有加幂积分项的李雅普诺夫函数,并分为预设时间前和预设时间后两个阶段进行一致性分析。最终设计的前置时间控制算法可以使多智能体系统在预设时间内实现一致,且该预设时间与系统初始状态和控制参数无关。

关键词：多智能体系统前置时间控制加幂积分判别法平均一致性预设时间控制

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四旋翼无人机预设时间容错控制及应用研究

四旋翼无人机预设时间容错控制及应用研究

作者：晁硕南京邮电大学

学位级别：硕士

随着计算机、无线通信等信息技术的迅速发展,无人系统朝着更加智能化、高效化和安全性更高的方向发展。无人系统已经成为未来发展的重要方向,已经为许多领域带来重大的变革和创新。在一些环境艰苦、危险性较高的场景以及一些重复性的活... 详细信息

随着计算机、无线通信等信息技术的迅速发展,无人系统朝着更加智能化、高效化和安全性更高的方向发展。无人系统已经成为未来发展的重要方向,已经为许多领域带来重大的变革和创新。在一些环境艰苦、危险性较高的场景以及一些重复性的活动中,无人系统正逐步代替人类成为主力,例如工厂中的自动化机械臂;港口和仓库中的自动引导AGV车辆;电力设施自动巡检的四旋翼无人机等。无人系统改变了众多行业的生产方式,提高了生产效率。四旋翼无人机则是无人系统当中的典型代表。在当今社会,四旋翼无人机技术的快速发展正在改变着人们的生活方式,四旋翼无人机以其灵活、便携、机动性强等特点,被广泛应用于航拍、农业、物流等领域。然而,随着应用场景的不断扩大和愈加复杂,对四旋翼无人机飞行控制的要求也在不断增强。如何实现更加稳定、精准、高效的控制,甚至在出现故障后如何继续安全平稳的飞行和降落,成了四旋翼无人机研究领域中的重要课题。因此,本文紧紧围绕上述问题展开研究,主要创新点和贡献如下:(1)针对四旋翼无人机在飞行过程中发生电机失效故障的问题,根据四旋翼无人机的理想模型推导出存在电机故障情况下的四旋翼无人机系统模型。根据此模型,设计了四旋翼无人机故障观测器,利用该观测器估计了故障信息,用于容错控制,提高了四旋翼无人机的飞行安全性。(2)针对四旋翼无人机系统收敛时间需要更加精准的问题。在姿态系统中利用新型预设时间方法,设计了一款四旋翼无人机预设时间姿态控制器,实现系统的姿态信息和角速度信息可以不受初始状态影响,在预先设定的时间之内达到期望状态;在位置系统中,设计了一款预设时间位置控制器,实现四旋翼无人机的位置信息和速度信息在预先设定好的时间之内达到期望状态;同时引入虚拟控制量,将所设计的姿态控制器和位置控制器以内外环的形式耦合在一起,实现了对四旋翼无人机完整过程的控制。(3)针对实际环境中遇到的因素远比理论仿真中假设的情况更复杂的实际问题,如果直接将理论研究成果应用在真实四旋翼无人机中存在一定的风险,因此本文设计并搭建了一款四旋翼无人机硬件在环仿真平台。利用此平台可以实现将新型控制算法快速部署到真实环境中,同时降低了研究的风险和成本。本文将所提出的四旋翼无人机故障观测器和预设时间姿态控制器部署到了实物平台中,验证了其在实际系统中的有效性。四旋翼无人机技术的快速发展和广泛应用需要不断的研究和探索,本文的成果为四旋翼无人机领域的技术研究和应用提供有用的参考和借鉴。

关键词：四旋翼无人机故障观测器预设时间控制硬件在环仿真

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非严格反馈非线性系统的有限时间控制研究

非严格反馈非线性系统的有限时间控制研究

作者：李恒扬州大学

学位级别：硕士

众所周知,系统的快速性是反映系统性能指标的一项重要因素,而有限时间控制则是一种能够直观地体现系统快速性的一种控制方案,因而在实际工程方面的应用也越来越多.例如,汽车的紧急制动、导弹的精确制导以及无人机的实时追踪等.传统的控... 详细信息

众所周知,系统的快速性是反映系统性能指标的一项重要因素,而有限时间控制则是一种能够直观地体现系统快速性的一种控制方案,因而在实际工程方面的应用也越来越多.例如,汽车的紧急制动、导弹的精确制导以及无人机的实时追踪等.传统的控制方案只考虑所设计的控制器如何使系统状态达到稳定或者有界,却忽略了系统状态达到稳定或有界时所耗费的时间问题,有限时间控制恰好弥补了这一缺陷.因此,本文针对具有未建模动态、系统函数未知和控制增益未知的几类非线性非严格反馈系统,提出了几种不同的自适应有限时间控制策略,其主要内容如下:第一,基于动态事件触发控制策略,研究了一类非严格反馈系统的固定时间控制问题.引入了动态面控制(DSC)技术来解决后推设计中所产生的计算复杂度问题.通过动态事件触发控制器减小了数据传输负担,相比于静态事件触发控制器,动态事件触发控制器的触发次数更少.同时,非线性滤波器的引入有效地将动态面控制技术与固定时间自适应控制技术相结合,从而保证了闭环系统中的所有信号是实际固定时间稳定的.最后,通过两个数值仿真算例验证了所提方案的可行性.第二,针对一类含有未建模动态的非严格反馈非线性系统,提出了一种基于命令滤波的预设时间控制方案.其中,利用一个已知的动态信号来消除未建模动态所带来的影响.不同于固定时间控制,预设时间控制的收敛时间是一个更精确的、由用户自行设计的一个常数.引入的命令滤波技术不仅克服了后推技术所引起的计算复杂度问题,而且避免了动态面设计过程中寻找黑箱函数所含变量的过程.通过理论分析,最终证明所设计的命令滤波预定时间控制器能使闭环系统中的所有信号在预设时间内收敛到一个小的邻域内.最后,通过数值仿真表明了该方法的有效性.第三,基于预设时间控制技术,对一类具有未建模动态的互联大系统设计了一种控制器.其中利用动态信号来处理未建模动态,结合命令滤波技术避免了寻找变量不易的困扰.将预设时间控制技术应用到互联大系统的控制器设计之中,克服了以往所设计的控制器的缺陷.通过理论分析,最终证明所设计的命令滤波预定时间控制器能使闭环系统中的所有信号在预设时间内收敛到一个小的邻域内.最后,通过数值仿真表明了该方法的有效性.

关键词：动态面控制命令滤波事件触发固定时间控制预设时间控制未建模动态互联大系统

全状态约束下不确定非线性系统的自适应反步控制研究

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全状态约束下不确定非线性系统的自适应反步控制研究

作者：谢小贤燕山大学

学位级别：硕士

随着非线性系统控制理论的发展,关于不确定非线性系统的控制受到越来越多的关注。全状态约束、预定性能以及执行器故障等给不确定非线性系统的控制带来了一定的挑战。本文针对全状态约束/预定性能/执行器故障影响下的不确定非线性系统... 详细信息

随着非线性系统控制理论的发展,关于不确定非线性系统的控制受到越来越多的关注。全状态约束、预定性能以及执行器故障等给不确定非线性系统的控制带来了一定的挑战。本文针对全状态约束/预定性能/执行器故障影响下的不确定非线性系统的控制问题,提出自适应反步跟踪控制策略,主要内容如下:首先,考虑全状态约束下的不确定非线性系统的控制问题,提出自适应预设时间反步跟踪控制策略。构造自适应预设时间滤波器解决反步控制中的“计算爆炸”问题,它可以对虚拟控制输入的时间导数的未知上界进行估计,且滤波器的误差可在预设时间内有界;设计状态变换函数,处理多种类型的全状态约束问题;利用径向基神经网络估计未知非线性函数。在此基础上,设计自适应预设时间控制器。基于Lyapunov稳定性理论,证明闭环系统的预设时间有界稳定性,且所有状态保持在约束边界内。通过作单连杆机械臂系统控制的对比仿真验证所提控制策略的有效性。其次,考虑时变全状态约束和输出误差预定性能影响下的不确定非线性系统的控制问题,提出自适应预设时间预定性能反步跟踪控制策略。采用状态变换函数解决时变状态约束问题,并将设计的预设时间预定性能函数和误差变换函数相结合,保证输出误差在预设时间内满足预定性能要求。在此基础上,设计自适应预设时间预定性能控制器。基于Lyapunov稳定性理论,证明闭环系统的预设时间有界稳定性,所有状态满足约束要求,输出误差在预定时间内进入到预设范围内。利用单连杆机械臂系统的跟踪控制仿真验证控制策略的有效性。最后,考虑时变非对称全状态约束和时变执行器故障影响下的不确定非线性系统的控制问题,构建自适应容错反步跟踪控制策略。利用模糊逻辑的思想,构造隶属度函数实现约束边界的局部扩充。当参考指令轻微超出约束边界时,通过局部扩充约束边界,输出实现对参考指令的跟踪。同时,其余状态的约束边界也可以进行自动扩充。设计变换函数处理状态约束问题。采用自适应律消除时变执行器故障的影响。在此基础上,设计自适应容错控制器。利用Lyapunov稳定性理论,证明闭环系统的有界稳定性。结合单连杆机械臂系统的控制仿真验证控制策略的有效性。

关键词：不确定非线性系统全状态约束预设时间预定性能函数预设时间控制反步控制