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.     

航天器姿态跟踪有限时间自适应积分滑模控制

针对刚体航天器存在模型参数不确定性和外界干扰情况下的姿态跟踪控制问题,该文提出了一种有限时间自适应积分滑模控制方法.建立了用四元数表示的航天器姿态跟踪数学模型;在不考虑参数不确定性和干扰的情况下,基于非线性系统齐次性方法设计了一种有限时间控制算法,保证航天器姿态在有限时间内跟踪上期望姿态;当扰动存在时,为提高闭环系统的...     

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．     

在轨服务航天器对失控目标的姿态同步控制

研究在轨服务航天器逼近与捕获失控目标过程中姿态同步的控制问题,设计了一种基于姿态四元数的姿态跟踪控制算法.通过建立服务航天器相对失控目标的姿态运动学与动力学,将服务航天器跟踪失控目标航天器姿态的控制问题转化为相对姿态的控制问题.考虑未知干扰和控制力矩受限的因素,并以相对姿态四元数的二阶形式描述相对姿态动力学,利用反馈线性化原理和自适应算法的思想,设计姿态同步的非线性反馈控制律.数学仿真的结果表明,设计的控制算法是有效的,具有较好的跟踪性能.     

基于自适应滑模方法的航天器位置与姿态控制

为了解决存在参数不确定和外干扰的航天器位置与姿态控制问题,提出一种自适应滑模控制方法.该方法用于控制航天器的位置和姿态,确保航天器执行位置与大角度机动,完成捕获和移除大空间目标的任务.提出的控制算法无需不确定的界,比传统的滑模方法容易实现.Lapunov分析表明,设计的控制器保证了位置与姿态的渐近跟踪.最后,将该方法用于航天器的位置与姿态控制,仿真结果验证了方法的有效性.     

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.     

输入有界的挠性航天器姿态跟踪滑模控制

针对三轴稳定挠性航天器输入受限的姿态跟踪问题,设计了一类滑模自适应姿态跟踪控制器,它能确保闭环系统在一定条件下具有全局渐近稳定性,且满足控制输入有界的要求;同时,该控制方案是一种模型独立的控制方法,不依赖于航天器结构参数及模态阶数,而且通过引入参数自适应控制律,使得控制器的设计也不依赖于参数不确定性和外部干扰力矩的界函数,具有较强的鲁棒性和工程实用性.最后根据给定的挠性航天器参数进行了数值仿真研究,结果表明在转动惯量存在较大不确定性和外部干扰的情况下,系统具有很好动态性能和有效地抑制控制输入饱和问题,表明所设计的控制方案有效可行,并具有一定潜在的工程应用前景.     

应用滑动模态和时间尺度分离的航天器姿态控制

研究了基于时间尺度分离和滑动模态的航天器姿态控制问题.利用时间尺度分离的方法将航天器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于姿态角速度的快子系统,从而构成内外两个控制回路,外回路跟踪给定的姿态角,内回路跟踪设计的姿态角速度.针对每个子系统分别设计PI型的滑动平面,在Lyapunov稳定性分析的基础上,推导出两个回路的变结构控制律.仿真结果证明了所提控制方法能够克服大幅值、高频率的外部干扰,比传统控制方法具有更高的精度和鲁棒性.     

一种故障干扰解耦的航天器主动容错控制方法

为提高航天器系统的可靠性,研究一种干扰影响下的航天器主动容错控制技术. 首先,为实现干扰下的故障诊断,减小航天器系统故障检测到故障估计之间的时间延迟,通过将故障扩展为系统状态量,设计未知输入观测器,进行航天器故障检测及估计单元一体化设计. 其次,考虑到此方法无法实现对干扰的估计,且仅能解决可导的故障类型,进一步设计新型的自适应滑模未知输入观测器,能够保证对干扰及故障的同时解耦估计,也可以解决更广泛的故障类型. 最后,考虑观测器观测过程中的估计误差,设计了多变量终端滑模容错控制器,提高了控制性能. 仿真结果表明:所设计的主动容错控制策略能够实现干扰影响下的故障诊断,可以保证航天器控制性能的快速恢复.     

具有未建模动态的非线性跟踪系统的鲁棒干扰几乎解耦

针对一类具有未建模动态和有界时变干扰的单输入单输出非线性系统，提出鲁棒干扰几乎解耦的新定义。在此基础上，采用辅助动态信号来抑制未建模动态，运用自适应非线性阻尼来克服未知参数和非线性不确定性，通过坐标变换及构造Lyapunov函数，获得控制规律，使被控系统在未建模动态及有界干扰下，仍能实现跟踪。并且，只要适当选择控制参数，跟踪误差将会任意地小。仿真算例表明，提出的鲁棒干扰几乎解耦的定义和控制规律非常有效。     

Disturbance rejection SDRE attitude control

The nonlinear disturbance observer based disturbance rejection SDRE attitude control is investigated for a general nonlinear missile with parameter uncertainties and external disturbances. Firstly, the total effects of the parameter uncertainties and external disturbances are regarded as the lumped disturbances. And then, a disturbance compensation gain is carefully designed, so that the disturbance rejection SDRE attitude control method is able to address the mismatched disturbances. Finally, the nonlinear disturbance observer is introduced to estimate the lumped disturbances. Simulation results have demonstrated the precise tracking performance and the disturbance rejection capability of the proposed method with respect to the parameter uncertainties and external disturbances.     

火箭垂直返回双幂次固定时间收敛滑模控制方法

垂直起降可重复使用火箭返回飞行时受到复杂扰动和强不确定性影响,其姿态系统呈现出强非线性和高动态的特点.为克服扰动影响实现对姿态角指令的快速高精度跟踪,提出了一种基于双幂次固定时间收敛滑模面和固定时间收敛扰动观测器的快速高精度姿态跟踪控制器.对于返回飞行姿态控制系统中的有界匹配扰动,为避免观测器的调节过程影响控制系统的性能,在控制器的设计中引入了固定时间收敛扰动观测器,从而实现了对扰动的快速高精度估计;为实现姿态跟踪控制器的固定时间收敛,给出了基于双幂次修正项的一种双幂次固定时间收敛滑模面;基于观测器输出和双幂次固定时间收敛滑模面设计了快速姿态跟踪控制器,通过引入固定时间收敛扰动观测器的输出以补偿扰动影响,从而在允许的精度损失下去除不连续控制项以抑制滑模抖振. 最后通过返回飞行大气层内气动减速段的数值仿真验证了观测器和基于固定时间收敛扰动观测器的固定时间收敛滑模跟踪控制器的性能.     

小型航天器浸入与不变自适应反步姿态跟踪

针对具有惯性张量不确定性、外干扰及饱和限制的小型航天器非线性姿态跟踪问题,将反步法和系统浸入与流形不变理论相结合,提出了分块自适应约束控制结构．航天器姿态模型由修正罗德里格参数进行全局非奇异描述．在设计反步控制器时,引入指令滤波器和修正跟踪误差信号以施加系统状态和执行器的饱和限制,同时较容易地获得虚拟控制导数．为提高反步控制器的鲁棒性和性能,利用基于不变流形的非线性观测器对时变的系统“总干扰”进行在线估计补偿．由于不变流形方法使得估计误差具有指定的一致稳定动态,因而该分块自适应控制器比传统的自适应反步控制器更容易调节,且性能不受未知的估计律动态的影响．李亚普诺夫直接方法证明了估计误差有界性和闭环系统输入状态稳定．数值仿真表明,与传统方法相比,所提出的控制器结构具有更高的姿态跟踪性能和干扰估计精度．     

挠性航天器预设性能自适应姿态跟踪控制

为研究存在外界干扰及未建模动态的挠性航天器姿态跟踪问题,提出了一种基于预设性能方法的自适应姿态跟踪控制策略.预设性能方法利用性能函数和一种误差变换方式,将系统的跟踪误差限制在预先设定的约束范围内,以保证系统响应具有期望的超调、收敛速度以及稳态误差.采用径向基函数(RBF)神经网络来处理由干扰和附件挠性振荡产生的模型未知动态.考虑到存在未知的神经网络逼近误差,为减小控制参数选取的保守性,进一步对逼近误差的上界进行自适应估计.结合权值和逼近误差上界的自适应律,设计了预设性能自适应姿态跟踪控制器.仿真结果表明,使用本方法可以有效补偿干扰及挠性振动所产生的影响,同时使姿态控制系统获得快速平稳的动态过程和给定的稳态跟踪精度.与未采用预设性能的方法相比,所提出的方法在收敛速度、跟踪精度与振荡抑制效果等方面均具有较明显的优势,并且对控制器参数选取的依赖性更低.     

一种多变量解耦控制方法

本文提出了一种基于内模控制的多变量解耦控制方法,该方法同时还具有抗干扰及跟踪设定值的能力。     

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.     

Disturbance observer based position tracking of electro-hydraulic actuator

A nonlinear controller based on an extended second-order disturbance observer is presented to track desired position for an electro-hydraulic single-rod actuator in the presence of both external disturbances and parameter uncertainties. The proposed extended second-order disturbance observer deals with not only the external perturbations, but also parameter uncertainties which are commonly regarded as lumped disturbances in previous researches. Besides, the outer position tracking loop is designed with cylinder load pressure as output; and the inner pressure control loop provides the hydraulic actuator the characteristic of a force generator. The stability of the closed-loop system is provided based on Lyapunov theory. The performance of the controller is verified through simulations and experiments. The results demonstrate that the proposed nonlinear position tracking controller, together with the extended second-order disturbance observer, gives an excellent tracking performance in the presence of parameter uncertainties and external disturbance.