航天器自主姿态控制的正规矩阵设计方法

为满足航天器自主系统的在轨重设计及对重设计结果进行评估的要求,研究了姿态动力学自然特性以及基于结构特性的姿态控制设计方法。证明了挠性航天器姿态动力学传递函数矩阵的正规性,并对惯量矩阵的对角优势性进行了分析。将这两个特性应用于姿态控制设计,分别得到了乘性摄动和逆加摄动不确定性描述下的鲁棒稳定条件。给出了姿态控制的正规矩阵设计方法,而且设计结果的鲁棒性容易检验,适合在自主航天器中应用。对这两种鲁棒稳定条件的比较表明,逆加摄动下的结果可以更好地兼顾各回路的性能要求。     

考虑性能约束的航天器近距离悬停控制

本文主要研究了考虑预设性能的航天器交会对接中的近距离悬停控制问题.针对追踪航天器近距离悬停控制问题,首先基于追踪航天器的姿轨耦合模型设计了线性滑模控制器实现了近距离悬停任务.在此基础上,为对系统收敛过程中系统状态的暂态性能进行约束,设计了基于预设性能的滑模控制器.同时,为减少系统状态的收敛时间,针对预设性能中的性能函数,采用了一种有限时间收敛的性能函数代替传统的性能函数,并改进了滑模控制器的结构.最后通过仿真进行验证,并对比三种控制策略,结果表明所设计的航天器交会对接预设性能滑模控制律具有理想的控制性能.     

对接飞行器大角度姿态机动控制

建立了适用于追踪飞行器大角度姿态机动控制的数学模型,以时间最短为最优控制指标,通过一个高矩阵变换,利用极小时同控制原理建立了相对姿态运动中俯仰-偏航双轴机动、滚转单轴稳定的极小时同反馈控制律.仿真结果验证了所给模型及控制方法的有效性。     

挠性航天器姿态机动的自适应滑模控制

针对采用压电智能材料作为敏感器和作动器的挠性航天器姿态机动控制问题,提出一种复合控制策略.首先,基于挠性航天器的非线性动力学模型,采用自适应滑模控制技术设计了姿态机动控制器.其次,为了抑制挠性模态的振动,针对各低阶振动模态设计了正位置反馈(PPF)补偿器的反馈增益.仿真结果表明,该方法在保证挠性航天器完成姿态机动任务的同时,能有效抑制挠性附件的振动.     

基于数据驱动的鲁棒反步自适应巡航控制

为了实现高精度的鲁棒自适应巡航控制（ACC）,提出基于数据驱动的鲁棒反步自适应巡航控制算法. 利用反步技术设计虚拟控制器,将车辆间距控制转化为速度控制,避免速度相关型间距策略带来的间距与速度控制耦合;构建基于数据的耦合滑模面并设计状态观测器,补偿车辆复杂的非线性动力学特性、离散误差及外部干扰,提升控制算法的鲁棒性;利用反馈控制及鲁棒控制技术设计数据驱动的ACC鲁棒控制算法;分别选取固定时间间距、变时间间距策略,利用所提ACC算法及基于比例积分（PI）的ACC算法进行车辆自适应巡航控制对比仿真验证. 对比实验结果表明,所提算法在控制精度、鲁棒性方面具有优越性.     

多小型飞行器自主编队姿态协同控制方法

针对多小型飞行器空间自主编队姿态协同飞行任务,研究了空间多小型飞行器自主编队在空间干扰影响下的姿态协同控制问题.考虑到编队无法获取外界参考信息,需要进行自主编队的情况,提出一种编队姿态协同控制方法.首先,提出的控制方法基于小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,能够适应多种编队通信拓扑结构,并且对于外干扰力矩具有较强的鲁棒性;然后,根据Lyapunov定理,从理论上证明了闭环系统的稳定性和收敛性;最后,通过数值仿真验证了理论分析结果及所提出控制方法的有效性.研究结果表明,所提出的控制方法能够在干扰力矩作用下,利用小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,且能够适应多种编队构型.     

柔性航天器单轴姿态机动的鲁棒稳定性分析

为了研究带有两帆板柔性航天器滚转姿态机动的稳定性问题,建立了该飞行器滚转运动的姿态动力学模型,并在建模时考虑了帆板的弯曲振动.利用基于二次型性能指标的最优控制理论,采用状态反馈的方法,设计了一种LQ控制律.采用灵敏度方法给出了系统的鲁棒界,即系统的确保幅值裕量和确保相位裕量.基于灵敏度方法对系统鲁棒性的分析结果和实际闭环系统的仿真结果分别验证了设计的控制律不仅可以使柔性航天器完成大角度的滚转姿态机动,而且能在相当大的参数摄动下保持系统的鲁棒稳定性.     

带有输入死区的航天器姿态有限时间控制

死区非线性是航天器姿态控制系统中一种普遍存在的执行机构非线性,它的存在会降低姿态控制系统的性能,甚至可能破坏系统的稳定性.为了解决带有输入死区非线性的航天器的高精度姿态控制问题,给出了一种有限时间控制方法,并且考虑航天器姿态控制模型中含有有界的不确定性且输入死区非线性仅部分信息已知.通过引入一个在指定时间内收敛到零的期望姿态变化曲线,并基于时变滑模控制理论设计鲁棒控制算法使得实际姿态和期望姿态之间的偏差始终保持足够小,从而保证实际姿态在指定的时间内收敛到原点附近.严格的理论分析表明,所设计控制律不仅可以保证闭环系统的信号有界而且可以使得实际姿态在指定的时间内收敛到并以指定的精度保持在原点附近.数值仿真结果表明,所提控制方法是有效的,该方法不仅能够保证系统状态具有很快的收敛速度、很高的控制精度,而且对于系统的不确定性具有很强的鲁棒性和抗干扰能力,因而在航天器的姿态控制中具有良好的潜在应用价值.     

基于最优控制的刚体航天器姿态控制研究

为了研究航天器在不利环境下的姿态控制问题，利用最优控制方法讨论带有2个动画飞轮的航天器姿态控制问题，通常航天器使用3个动量飞轮用于控制其姿态和任意定位，当其中1个轮失效，在系统角动量为零的情况下，可以将系统的控制问题转化为无漂移系统的运动规划问题，利用最优控制方法提出求解带有2个动量飞轮航天器的姿态控制算法，通过数值仿真，表明该方法对航天器姿态控制是有效的。     

改进型自适应变结构的挠性卫星姿态机动控制

针对带有输入非线性的挠性卫星的姿态机动问题,提出一种仅利用输出信息的变结构输出反馈控制方法.首先,采用拉格朗日方法建立挠性卫星的动力学模型.然后,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,给出滑模存在条件以及变结构输出反馈控制器设计的方法;另外,为了避免确定不确定性和外干扰界函数上界的困难,又给出一种改进型自适应变结构输出反馈控制器的设计方法,通过增加一负反馈项,防止了不确定界函数的参数过大而导致控制过大及系统失稳,从而使对不确定界函数的参数的估计达到更好的效果.最后,将本文提出的控制方法应用于三轴稳定挠性卫星的姿态机动控制,并进行数值仿真研究.仿真结果表明:在反作用飞轮的控制受限条件下,完成姿态机动的同时,有效地抑制挠性附件的振动.     

描述函数理论及其在航天中的应用

在分析非线性系统时，描述函数作为一种古典的频域方法，具有许多优点，描述函数分析准则的修正赋予描述函数理论新的内涵，并在挠怀航天器非线性喷嘴控制系统设计分析提供了一种有效手段，以皮描述函数理论为基础，探讨了脉中帽器描述函数的区域线性化，并对挠民航天器的姿态控制系统进行设计，分析，使航天哭喊 的姿态控制系统跣定性一，控制精度等性能，并具有一定的鲁棒稳定性。     

挠性航天器姿态机动智能变结构输出反馈控制

针对挠性航天器飞轮输出力矩受限情况下的姿态机动问题,提出了一种将变结构和神经网络控制相结合的智能鲁棒控制方法.基于挠性模态不可测的特点,首先给出了仅利用输出信息的智能变结构输出反馈控制器的设计方法来完成姿态机动的控制目标,并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及系统的稳定性.智能控制的引入使得控制器具有很强的自适应、自学习的能力,降低饱和非线性对系统产生的影响.最后,将本文提出的控制方法应用于挠性航天器的姿态机动控制,在反作用飞轮的控制受限条件下,完成姿态机动的同时,可有效地抑制挠性附件的振动.     

空间飞行器对接动力学的数值仿真研究

建立了有内导向瓣周边式对接机构的两空间飞行器对接过程中捕获阶段和缓冲阶段的对接动力学数学模型,进行了数值仿真。通过仿真计算可以验证缓冲系统的设计参数及对接策略。得到对接机构的相对位移和转角、缓冲系统的位移和转角、相互作用力等参数,从而可较全面地了解对接动力学过程,为缓冲系统的设计打下一个可信的基础。     

基于中心流形理论的欠驱动航天器姿态控制

考虑一类欠驱动航天器的执行机构为喷气推力器,根据航天器姿态动力学理论,建立欠驱动航天器姿态动力学方程。对于仅有两个反作用飞轮的零动量姿态控制系统设计了不连续的状态反馈控制器。基于给出的欠驱动航天器姿态动力学方程,设计控制律,利用中心流形方法判别驱动航天器系统在临界情形下的稳定性,得出欠驱动航天器姿态达到稳定状态的稳定性控制参数条件。数值仿真验证了所设计控制律的有效性。     

航天器姿态跟踪的非线性离散滑模仿真模型设计

为提高三轴稳定刚体航天器对时变参数摄动及外界环境干扰的鲁棒性能,提出一种基于非线性离散滑模控制的姿态跟踪控制系统设计方法.建立了航天器姿控模型,针对该模型中存在的时变特性与干扰力矩,将原系统进行反馈线性化解耦和模型离散化,由离散指数趋近律推导了离散滑模姿态控制律.依据某航天器的模型数据进行的仿真结果表明,所设计的离散滑模姿控系统在确保航天器姿态稳定的同时,实现了各通道的解耦控制,可有效减小干扰引起的姿态角跟踪偏差,对系统外干扰和内部参数摄动都具有良好的鲁棒性能,同时还验证了对指令跟踪的动态性能与采样周期的关系.     

执行器故障与饱和受限的航天器滑模容错控制

针对航天器姿态控制过程中同时存在执行器故障、安装偏差与控制受限的多约束问题,提出一种基于积分滑模面的自适应鲁棒姿态容错控制方法,所设计的控制器在满足执行器控制能力的饱和受限约束的条件下确保系统稳定;同时,通过引入控制参数在线自适应学习策略以提高对干扰、安装偏差以及故障变化的鲁棒性,进而减小对这些信息的依赖能力,并基于Lyapunov方法分析了系统稳定性.通过数值仿真结果表明,提出的自适应积分滑模容错控制算法能有效的保证执行器故障时航天器姿态控制系统的稳定性,并具有较强的鲁棒性.     

通信受限下基于终端滑模和指对数滑模方法的编队航天器姿态协同控制

针对星间通信时延和信号量化情形下编队航天器,研究对应的姿态协同控制器设计问题.首先,为节省编队航天器星间通信的带宽资源,提出基于信号量化的星间数据通信策略,并设计了一种终端滑模姿态协同控制器以保证航天器编队姿态同步系统的渐近稳定;其次,考虑到航天器间可能存在通信时延,考虑基于信号量化的通信策略,提出一种基于指对数滑模面的编队航天器协同控制器设计方法,能保证编队航天器在有限时间内达到期望姿态;最后基于包含4个航天器的编队系统,通过仿真验证了所提出的协同控制方法的有效性.     

Adaptive variable structure control based on backstepping for spacecraft with reaction wheels during attitude maneuver

An adaptive variable structure control method based on backstepping is proposed for the attitude maneuver problem of rigid spacecraft with reaction wheel dynamics in the presence of uncertain inertia matrix and external disturbances. The proposed control approach is a combination of the backstepping and the adaptive variable structure control. The cascaded structure of the attitude maneuver control system with reaction wheel dynamics gives the advantage for applying the backstepping method to construct Lyapunov functions. The robust stability to external disturbances and parametric uncertainty is guaranteed by the adaptive variable structure control. To validate the proposed control algorithm, numerical simulations using the proposed approach are performed for the attitude maneuver mission of rigid spacecraft with a configuration consisting of four reaction wheels for actuator and three magnetorquers for momentum unloading. Simulation results verify the effectiveness of the proposed control algorithm.     

空间交会对接中二航天器相对运动的精确计算模型

本文较详细地分析了航天器在空间所受的各种摄动力,得出了航天器空间轨道的精确计算模型,进而建立了空间交会对接中二航天器相对运动的精确计算模型。     

航天器液体晃动与液固耦合动力学研究概述

液体晃动是一个在充液航天器总体设计中必须考虑的问题,随着航天事业的飞速发展,推进剂点火箭、卫星等航天器总重量的比重不断加大,推进剂的运动对在轨航天器的稳定,控制,定位,对接的影响都是关键的。