自动控制专业课的穿梭实验设计

为解决自动控制实验课理论与实践脱节、设备与控制对象陈旧等问题,提出一种穿梭实验教学方法,采用学生感兴趣的控制对象,设计7种可编程的实验,并将其穿插在理论课之间,由主讲教师一人贯穿教学。实践证明,采用穿梭实验教学后,学生的平均成绩和对课程的满意度显著提升,改善了自动控制专业课的实验教学效果。

可变桨距四旋翼飞行器姿态控制教学设备

针对传统四旋翼飞行器为固定桨距变转速的控制方式,在实际教学中存在非线性、响应慢等问题,给学生完成控制实验带来困难。为达到更好的教学效果,设计与开发一个可变桨距四旋翼飞行器的姿态控制设备,实现了定转速变桨距的控制方式,并完成了基于串级PID的控制律设计与代码实现。设备搭载280级四旋翼,使用基于STM32单片机自行开发的飞行控制器,允许学生编程及嵌入自己的控制律。设备在自动控制专业本科生选修课中进行了应用,获得了理想的教学效果。

基于多步信息辅助的Q-learning路径规划算法

为提升静态环境下移动机器人路径规划能力,解决传统Q-learning算法在路径规划中收敛速度慢的问题,提出一种基于多步信息辅助机制的Q-learning改进算法。利用ε-greedy策略中贪婪动作的多步信息与历史最优路径长度更新资格迹,使有效的资格迹在算法迭代中持续发挥作用,用保存的多步信息解决可能落入的循环陷阱;使用局部多花朵的花授粉算法初始化Q值表,提升机器人前期搜索效率;基于机器人不同探索阶段的目的,结合迭代路径长度的标准差与机器人成功到达目标点的次数设计动作选择策略,以增强算法对环境信息探索与利用的平衡能力。实验结果表明:该算法具有较快的收敛速度,验证了算法的可行性与有效性。

一种空间碎片主动清除任务规划方法

规划搭载多个载荷的运载器从多个发射点清除大量空间碎片的任务时,需使运载器耗费量尽可能地少。为解决多发射点、多运载器、多载荷、多目标任务规划过程中庞大的运载器耗费量,可将整个问题的解决方案划分为三个部分。首先,设计考虑多约束多阶段的目标窗口推算方案,建立“发射点运载器载荷目标”单匹配模型;然后,基于多个单匹配模型生成可发射矩阵,用于描述“多发射点多运载器多载荷多目标”的多匹配的可行性;最后,采用可发射矩阵动态调整策略,基于匈牙利算法实现最少运载器耗费原则下的目标任务分配。仿真计算结果表明,所提方法能够以较少运载器耗费量实现对全部目标空间碎片的清除,验证了所提算法的有效性和先进性。

基于虚拟再入角的快速离轨制动制导方法

为满足再入飞行器快速离轨制动的需求,提出一种基于虚拟再入角的快速离轨制动制导方法。在分析脉冲离轨制动的制导机理的基础上,采用有限推力方式逐渐接近终端状态,满足再入角度和再入速度的交班需求;采用凸优化方法计算满足多终端约束的时间最优轨迹,结合有限推力制导算法的仿真结果,分析轨迹特点,提出虚拟再入角概念,设计考虑多终端约束的快速离轨制动的在线制导算法。分别从运算效率和制导精度两个方面,同现有方法进行比较,并在发动机推力大小与方向存在偏差情况下进行蒙特卡洛仿真。仿真结果表明,相比于现有算法,所提出的算法在保障同等控制精度的前提下,实现了快速离轨阶段快速的目标,且可以满足在线计算的需求。

基于改进人工势场法的再入制导方法

针对带有禁飞区的高超声速飞行器再入制导问题,基于改进人工势场法(artificial potential field method,APFM)提出一种再入制导方法。在纵向上,将动压、过载、热流过程约束视为“虚拟障碍”,将终端高度、速度视为“虚拟目标点”进行纵向轨迹设计。然后,改进纵向人工势场函数以适应跳跃式和平衡滑翔式再入两种弹道形式的轨迹设计。为了整体考虑禁飞区对三维轨迹的影响,设计双层预测-校正算法求解待调参数。仿真结果表明,所提出的改进APFM规划方法能够适应不同类型的禁飞区形状,相比现有方法可适应横程需求更大的目标点,参数调节简单,易于工程实现。

基于组合优化算法的临近空间飞行器轨迹优化

提出一种临近空间飞行器轨迹优化方法,利用基于支持向量机与遗传算法的组合优化算法,解决多约束条件下的高效轨迹优化问题。首先,建立临近空间飞行器轨迹优化数学模型。然后,通过参数化方法和惩罚函数法将轨迹优化问题转化为约束参数优化问题。在此基础上,提出一种求解无约束参数优化问题的组合优化算法,通过支持向量机对遗传过程中产生的种群进行分类,提高基本遗传算法的计算效率,结合轨迹优化数学模型,给出轨迹优化算法。最后,以临近空间飞行器航程最远轨迹优化问题为例,进行数学仿真分析。仿真结果表明,针对给定的算例,文中提出的方法与基于基本遗传算法的轨迹优化方法相比,计算效率显著提高。

系统建模与仿真课程实验教学探讨

现有系统建模与仿真课程实验教学手段单一、内容陈旧、缺乏吸引力。针对这一问题,结合"基于问题学习"和"翻转课堂"两种教学思想,将课程教学方式更新为"学生课前学习+教师课堂讲授+学生实验前分组讨论+学生进行仿真实验+实验后分组讨论"的教学模式,从教学内容、教学方法和教学辅助手段3方面进行改革。编写面向新工科建设和创新能力培养的"系统建模与仿真基础"讲义;以猎鹰重型火箭回收等航空航天热点问题为背景,将其抽象简化为实验教学内容;开发"系统建模与仿真基础"教学和评价综合平台,设计若干个不同层次的"实验案例;通过多阶段考核及最终答辩,评价学生的学习效果,同时让学生评价教师的教学效果。教学实践表明,学生在实验过程中对课程内容有了更深层次的认识,培养了他们的实践创新能力,学生对教师教学效果评价高。

考虑非最小相位特性的高超声速飞行器轨迹跟踪控制

针对带有非最小相位特性的吸气式高超声速飞行器控制问题,提出了一种输出跟踪控制方法。对于不具有非最小相位特性的速度子系统,运用动态逆控制技术设计了状态反馈控制器;针对具有非最小相位特性的高度子系统,首先选取合理的内外动态变量,通过坐标变换,将纵向俯仰通道模型转换为正则形式。然后通过对内动态进行稳定性分析,提出了飞行器系统非最小相位特性的判定定理。最后通过在动态逆控制器中加入正则变换后的状态反馈,实现了内动态的镇定,并基于Lyapunov方程证明了系统稳定性。仿真结果表明,该方法实现了良好的跟踪控制效果,并有效地镇定了系统的内动态。

系统建模与仿真实验教学与评价综合平台设计

设计开发了集教学、效果评价与师生互动于一体的综合实验教学软件平台。在平台的教学模块设计中引入“基于问题学习”和翻转课堂教学思想,建立了多角度、多层次的实验问题库,可进行知识巩固实验、自主设计实验、竞赛题目求解实验和实际问题设计实验,适应本科生、研究生以及竞赛预备生的实验需求。在教学效果评价模块设计中引入系统综合评价方法,建立合理的教学效果评价指标,从多维度考查教学效果。

带终端角度约束的多目标最优鲁棒制导方法

BTT飞行器需要在环境与模型存在不确定性的情况下,满足攻角幅值、倾侧角转率等多约束条件,实现带终端角度约束的高精度制导。针对该问题提出了一种多目标最优鲁棒制导方法。建立含干扰输入描述的制导律设计模型,将制导问题转化为鲁棒制导律设计与制导律参数多目标综合优化两个子问题。采用基于L2性能指标的鲁棒控制方法设计制导律,将其中的参数作为待优化变量。建立多目标综合优化模型,基于遗传算法,优化制导律参数。数学仿真结果表明,提出的制导方法可以满足带终端角度约束的多目标制导任务要求。

带角度约束的倾斜转弯飞行器制导律设计

针对倾斜转弯飞行器以给定角度攻击目标的要求,考虑控制回路动态特性对制导的影响,研究了带角度约束的制导律设计方法。以倾侧角和法向过载指令为控制量,建立了含控制回路动态特性的设计模型;基于该模型和多通道解耦的思想,提出带角度约束的滑模变结构制导律,通过调整趋近律参数消除抖振。理论分析表明:在初始阶段,该制导律较最优制导律对过载的需求小;通过优化制导律参数,当系统进入滑模面后,飞行器能按最优制导律命中目标。仿真表明,该制导律在满足落点和落角要求的同时,具有对过载需求分配合理、速度损失小的优点。

空间探索飞行器轨道优化课程实验教学探讨

针对空间探索飞行器轨道优化控制教学中重视理论知识和概念教授、忽视实践操作的问题,探索基于项目的课程实验教学。将教师科研项目中提炼出的问题融入到课程实验教学中,分别探讨基于项目学习的实验教学内容、教学方法和基于层次分析法的教学效果评价。通过项目研究加强学生在实验过程中解决科研问题的能力,提高学生开展实验研究后的成就感。教学实践表明,基于项目的课程实验教学能够激发学生的学习兴趣,使学生在实验过程中对课程内容有更深层次的认识,培养了学生创新能力和创新意识。

系统工程基础课程实验教学探讨

系统工程基础课程具有知识面广、理论性强的特点。以往的实验教学缺乏有效吸引学生兴趣、提高学生参与积极性的手段,同时也没有紧跟时代发展更新授课内容。针对这一问题,借鉴“基于问题学习”和“翻转课堂”思想,重新设计实验教学内容、教学方法和教学辅助手段。以新工科建设为契机,重新编写实验教学指导书;从社会热点问题中选取水电站选址、航母编队数目、共享单车投放等研究课题,丰富实验课的授课内容,引导学生开展基于问题的学习;开发系统工程基础课程实验软件;针对学生特点和兴趣,设计不同类型的实验案例,让学生通过翻转课堂,变被动学习为主动学习。教学实践表明,学生对课程实验题目趣味性评价很高,教学改革促进了学生的实践创新能力的培养。

空天飞机再入GNC一体化建模与仿真方法

集建模、制导控制律设计与数学仿真分析于一体的建模与仿真平台是进行空天飞机再入制导导航与控制系统(Guidance,Navigation and Control,GNC)研究的有效手段。提出一种基于Matlab平台和STK软件的空天飞机再入GNC一体化建模与仿真平台方案。基于Matlab平台进行二次开发,建立空天飞机建模工具,开发制导控制律辅助设计工具和数学仿真程序,利用STK软件进行结果的可视化仿真,为空天飞机再入GNC系统研究提供有效的建模、设计与仿真分析工具。

基于遗传算法的高速再入飞行器μ综合控制器设计

针对高速再入飞行器模型存在参数不确定性和量测噪声的特点,提出双回路鲁棒姿态控制律结构,利用μ综合方法进行姿态控制律设计,在设计中通过遗传算法对权函数进行优化设计,保证系统具有良好的鲁棒性能。通过横侧向鲁棒控制器的实例设计与仿真分析,验证设计方法的有效性。设计过程与仿真结果表明,该方法能有效解决高速飞行器鲁棒姿态控制律设计问题,避免了鲁棒控制器设计过程中权函数选取的繁杂工作。

基于高斯数据增广的小样本数据无人机编队类型抗扰识别

近年来,随着无人机的应用越来越广泛,对无人机编队类型进行准确识别具有重要意义。基于此,对小样本数据下无人机编队类型识别问题进行了研究。首先,对目前常用的各种无人机编队类型识别方法进行了介绍,针对小样本数据无人机编队类型抗扰识别面临的主要问题进行了分析;其次,对所提方法涉及的理论背景进行了研究;然后,对所提无人机编队类型抗扰识别算法进行了详细阐述;最后以带有噪声的菱形无人机编队的位置坐标作为输入数据,使用所提方法进行仿真实验,仿真实验结果表明,以参数均方误差作为队形识别的准确度指标,所提方法可将均方误差由45.1降低至0.46,显著提高了无人机机群特征聚类的精度与鲁棒性,证明了所提方法在小样本数据无人机编队类型抗扰识别问题上的有效性。

小型空天飞行器制导导航与控制系统方案

针对地面垂直发射、可长时间在轨运行和轨道机动、再入稠密大气层并水平着陆在机场跑道上的小型空天飞行器,研究其制导导航与控制系统方案。分析其在轨运行、离轨、再入、末端能量管理、自主进场着陆、地面滑跑等各阶段的制导、导航与控制系统任务需求,根据任务需求提出相应的制导导航与控制系统组成方案,并阐述制导导航与控制系统的工作原理。理论分析结果表明,提出的制导导航与控制系统方案满足飞行器各阶段的任务需求,合理可行。

拦截器模糊姿态控制律研究

针对带有姿控发动机、在大气层外飞行的拦截器,提出了一种模糊姿态控制律。根据姿控发动机布局,给出了发动机开关逻辑表,考虑到姿控机构具有多级控制能力,基于模糊控制的思想,设计了发动机开启方向和数量的切换策略。随后,利用相平面方法分析了该控制律和PD控制律的相似之处,并指出了前者的优越性。最后,对该控制律的控制效果进行了数字仿真。仿真结果表明,该控制律具有抗干扰、动态品质优良、稳态精度高的特点。

基于有限时间输出反馈的线性扩张状态观测器

为快速、准确地观测系统中的未知扰动及状态,提出一种有限时间线性扩张状态观测器(Finite-time linear extended state observer,FT-LESO),它具有期望的收敛性能且结构简单、易于设计.假设系统的状态无法量测,观测器设计问题转化为扰动下的输出反馈控制问题.针对该问题,提出一种扰动下的有限时间线性输出反馈控制方法,得到控制器参数与闭环系统状态向量2-范数间的解析关系.在此基础上,提出有限时间线性扩张状态观测器,得到观测器参数与观测误差收敛速度及稳态观测误差间的解析关系,给出一充分条件保证观测误差有限时间有界、且能以不低于指数收敛的速度收敛到给定范围内,为观测器参数设计提供理论依据.通过数值仿真验证提出的观测器,仿真结果与理论分析相符,提出的观测器是有效的.