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。     

Maneuver and vibration reduction of flexible spacecraft using sliding mode/command shaping technique

The current trend of spacecraft is to use large,complex, and light-weight space structures to achieveincreased functionality at a reduced lunch cost. Thisresults in these space structures being extremely flexibleand having lowfundamental vibration modes, and thesemodes are often excited during normal on-orbit opera-tions, such as attitude maneuvers, and so on, especial-ly, when the spacecraft attitude control system employson-off thrusters that produce discontinuous and nonlin-ear control actio…     

采用帆板-滑块执行结构的太阳帆姿态控制

为实现太阳帆三轴姿态控制,采用一种新型的帆板-滑块执行机构进行姿态控制.基于滑模控制理论提出一种强鲁棒的姿态控制器,以抑制执行机构工作过程中航天器转动惯量变化对姿态控制的影响.此外,引入自适应律,提出一种自适应抗扰控制律,以抑制光压力矩和引力梯度力矩对姿态的干扰作用.最后,基于执行机构的动力学特性设计了操纵律,解算出帆板转动角度和滑块滑动位移,提供给控制器所需控制力矩.仿真结果表明:采用所提控制律和执行机构操纵律可使太阳帆姿态较快地机动至期望位置,并较好地抑制了转动惯量变化、光压力矩干扰和引力梯度力矩干扰带来的影响,同时使控制力矩、帆板角度和滑块位移均保持在适当的幅值范围内.所提控制策略有效地实现了太阳帆三轴姿态控制.     

基于变结构/输入成形的航天器振动抑制方法

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题,提出了一种基于输出反馈变结构控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略.首先,采用拉格朗日方法建立中心刚体上带有弹性附件的航天器的动力学模型.然后,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,考虑挠性结构模态不可测的情况,为了避免设计状态观测器及其引入的误差,在输出反馈变结构控制的基础上,给出了滑模存在条件以及仅利用输出信息的变结构控制器设计方法,使系统的状态轨迹达到滑动平面,并保证闭环系统渐近稳定;在此基础上,应用输入成形方法设计成形控制器来抑制该系统的振动,使得航天器星体姿态和挠性附件的振动同时得到了有效的控制.该成形控制器的设计仅需闭环系统的振动频率和阻尼.将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest-to-rest(静止到静止)姿态机动控制进行了仿真研究,结果表明,方法可行有效.     

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.     

柔性太阳帆航天器动力学建模与姿态控制

对基于控制叶片的太阳帆航天器,推导考虑弹性振动的太阳帆姿态动力学方程和振动方程,利用非约束模态的概念给出了太阳帆航天器动力学方程的求解方法.结合超地球同步转移轨道太阳帆航天器偏航轴对地定向问题,设计了太阳帆俯仰轴的考虑Bang-Bang控制策略的PD控制器,数值仿真结果表明,所设计的基于控制叶片的控制器可以较快、较精确...     

Vibration control of flexible spacecraft actuated by piezoceramics via variable structure strategy

This paper presented a hybrid control scheme to vibration reduction of flexible spacecraft during rotational maneuver by using variable structure output feedback control (VSOFC) and piezoelectric materials. The control configuration included the attitude controller based on VSOFC method and vibration attenuator designed by constant-gain negative velocity feedback control. The attitude controller consisted of a linear feedback term and a discontinuous feedback term. With the presence of this attitude controller, an additional flexible control system acting on the flexible parts can be designed for vibration control. Compared with conventional proportional-derivative (PD) control, the developed control scheme guarantees not only the stability of the closed-loop system, but also yields better performance and robustness in the presence of parametric uncertainties and external disturbance. Simulation results are presented for the spacecraft model to show the effectiveness of the proposed control techniques.     

过驱动航天器自适应姿态补偿控制及控制分配

针对过驱动航天器存在执行机构安装偏差及外部干扰问题,提出一种自适应姿态补偿控制策略,应用Lyapunov稳定性理论证明了该控制算法能够在有限时间内实现姿态几乎全局渐近跟踪控制．同时考虑执行机构冗余特性及其控制力矩位置和速度约束,设计最优动态控制分配策略保证控制力矩的平稳性和能量最优．最后将设计的控制器与控制分配策略应用于某型航天器姿态跟踪控制,仿真结果表明该方法对不确定惯量特性具有良好的鲁棒性,对执行器安装偏差与干扰具有较好的补偿控制能力,并验证了该控制分配策略具有较好的能量优化控制能力．     

组合体航天器的姿态无模型自适应控制

为解决转动惯量参数未知组合体航天器的姿态精确控制问题,基于无模型自适应控制方法设计了一种不依赖于航天器精确动力学模型的组合体航天器姿态无模型自适应控制算法.首先,基于单输入单输出离散时间系统的数据驱动控制方法推导得出无模型自适应控制方程;然后,将无模型自适应控制方法拓展到组合体航天器姿态控制中,设计应用于组合体航天器姿态控制的无模型控制器;此外,为了缩短控制收敛时间,结合组合体航天器动力学特性,对姿态无模型控制器的控制过程进行优化设计;最后,以在轨服务航天器目标抓捕后的操作为研究背景进行组合体航天器的无模型自适应控制算法和无模型控制过程优化算法的数学仿真,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:所设计的组合体航天器无模型自适应算法有效,能够实现惯性参数未知的组合体航天器的姿态精确控制;且通过无模型控制过程优化设计,可以实现组合体航天器姿态控制过程的快速收敛;同时,该算法具有较高的控制精度.     

挠性航天器姿态机动的主动振动控制

针对挠性航天器三轴姿态同时机动时太阳帆板的振动抑制问题,提出了采用压电智能元件作为致动器的主动振动控制方法,基于Lagrangian方法和四元数参数化建立了航天器姿态动力学和运动学模型.利用航天器姿态控制问题固有的无源性,设计了一种仅利用姿态四元数而无需以角速度测量、挠性变形位移及速率测量作为反馈的控制规律,使得在大角度姿态机动的同时能有效地抑制太阳帆板的振动;基于Lyapunov方法证明了设计的动态控制器能够保证姿态的渐近稳定性和模态振动的衰减性.将该方法的控制效果与PD控制方法进行了比较,仿真验证了所给出的控制方法的可行性和有效性.     

输入受限空间飞行器大角度机动控制器设计

研究了控制力矩受限时空间飞行器的大角度姿态机动控制问题。为克服大角度机动时使用欧拉角可能产生的奇异问题,文中使用四元数形式的微分方程来描述飞行器的运动。首先运用Lyapunov方法,然后根据能量重置耗散思想,基于非线性脉冲混杂系统的扩展La-Salle不变集原理,设计了混杂脉冲大角度调节器。仿真结果表明:控制算法能在输入力矩有限的条件下较快地实现姿态大角度机动,具有设计简单、易于工程实现的特点。     

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.     

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.     

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.     

Neural adaptive attitude tracking controller for flexible spacecraft

In this paper,a neural network adaptive controller is proposed for attitude tracking of flexible spacecraft in presence of unknown inertial matrix and external disturbance.In this approach,neural network technique is employed to approximate the unknown system dynamics with finite combinations of some basis functions,and a robust controller is also designed to attenuate the effect of approximation error,more specially,the knowledge of angular velocity is not required.In the closed-loop system,Lyapunov stability analysis shows that the attitude trajectories asymptotically follow the reference output trajectories.Finally,simulation results are presented for the attitude tracking of a flexible spacecraft to show the excellent performance of the proposed controller and illustrate its robustness in face of external disturbances and unknown dynamics.     

刚体航天器有限时间输出反馈姿态跟踪控制

为提高航天器系统飞行可靠性,研究角速度信息不可测量的刚体航天器有限时间姿态跟踪控制,将姿态导数信息作为未知状态,设计基于改进自适应超螺旋滑模的状态观测器,避免未知状态导数上界需要已知的约束,将姿态运动方程进行扩维,在有限时间内实现对未知角速度估计.同时考虑环境干扰和模型不确定,设计新的有限时间干扰观测器,结合连续自适应方法实现对系统综合不确定上界的估计.在此基础上,基于终端滑模技术,设计有限时间连续姿态跟踪控制器,较好地减小了控制输入抖振,并采用Lyapunov理论证明了观测器和控制器的有限时间稳定性.最后仿真结果说明了所提方法的有效性.     

可展开太阳阵的航天器姿态最优控制

讨论了航天器太阳阵展开过程中载体姿态的最优控制问题。利用多体动力学方法建立系统的动力学模型,考虑系统的非完整约束特性,根据最优控制理论提出了太阳阵展开过程的控制算法。通过数值仿真说明该方法的有效性。     

分力合成和智能材料相结合的振动控制方法

针对采用喷气控制的挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题,提出了一种将分力合成(CSVS)和基于分布式压电陶瓷元件(PZT)振动控制相结合的主动振动抑制方法.研究了将分力合成方法应用于闭环系统的控制.为了将CSVS方法应用于具有常幅值执行机构的系统,提出将PWPF调制与CSVS相结合的方法.为了进一步抑制挠性附件的残余振动,采用分布压电陶瓷元件(PZT)作为作动器,设计正位置反馈(PPF)补偿器,增加挠性结构振动模态的阻尼,使得挠性结构的振动在较短的时间内能够迅速衰减.最后,将该方法应用于挠性航天器的单轴rest-to-rest姿态机动控制,结果验证了该方法的可行性和有效性.