受扰挠性卫星全局稳定姿态跟踪控制

挠性卫星的姿态跟踪控制要求同时考虑卫星本体姿态跟踪和挠性附件振动对姿态跟踪影响。本文针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的挠性卫星姿态跟踪控制问题，考虑目标姿态角速度可以时变的一般情形，设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并利用Barbalat引理证明了系统的全局稳定性。数学仿真结果表明该控制律能使闭环控制系统的姿态跟踪全局渐近稳定，从而有效消除常值干扰和正弦干扰，保证卫星本体跟踪精度。     

带有干扰的挠性卫星非线性姿态输出反馈控制

针对挠性卫星在飞行过程中存在参数不确定性、干扰（常值扰动和正弦扰动）及挠性附件的振动控制问题,提出了一类基于输出反馈控制系统的鲁棒设计方法,该设计仅利用姿态四元数输出信息,而无需角速度、挠性变形位移及其速率测量信息;同时,在控制中又引入积分环节用于减小常值干扰引起的稳态误差,并且控制器参数的选者并不依赖于系统参数,基于Lyapunov理论证明了所设计的控制器保证了姿态的稳定和模态振动的衰减;最后,将该方法应用于挠性卫星的姿态机动控制,仿真结果表明该控制器不仅对参数不确定性具有很好的鲁棒性,而且能够有效消除常值干扰和正弦干扰的影响,在完成姿态机动控制的同时,能够抑制挠性附件的结构振动,具有良好的过渡过程品质．     

基于时变增益ESO的航天器无源姿态跟踪控制

针对修正罗德里格参数描述的航天器姿态运动模型,利用扩张状态观测器(ESO)研究无角速度测量下的无源姿态跟踪控制问题.首先,为了削弱常值增益ESO中的峰化现象,设计一种时变增益ESO对角速度和系统的总干扰进行估计;进一步考虑航天器姿态运动的无源特性,结合互连和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)理论及backstepping思想设计跟踪控制律;最后,从理论上对闭环系统的稳定性进行严格证明.仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.     

航天器全状态约束输出反馈控制

针对无角速度测量的刚性航天器姿态跟踪问题,提出一种全状态约束输出反馈控制方法.建立修正罗德里格参数描述的系统模型,提出能够适用于约束与非约束情况的改进型障碍李雅普诺夫函数(MBLF),拓展传统对数型障碍李雅普诺夫函数的适用范围.构造二阶辅助系统,将控制输入和饱和输入之间的差作为构造系统的输入,进而产生信号以补偿饱和的影响.设计状态观测器估计未知状态量,并结合反步法设计输出反馈控制律,保证系统全状态约束性能和姿态跟踪精度.通过李雅普诺夫稳定性分析证明姿态观测误差和跟踪误差能够达到一致最终有界.仿真结果验证所提方法的有效性.     

受扰挠性卫星角动量反馈控制

卫星上一般安装动量轮做为控制系统的执行机构。动量轮角动量间接反映卫星姿态角速度信息，将动量轮角动量的测量信息引入反馈控制系统，为高稳定度卫星姿态控制开辟了另一有效途径。本文给出了角动量反馈控制器的具体形式，证明了挠性卫星闭环系统稳定性，分析了控制系统对周期性干扰的抑制特性，进行了控制系统稳态精度分析。结果表明，角动量反馈控制方法为提高受周期性干扰的挠性卫星姿态控制稳定度提供了一条有效途径。     

有扰情况下全局稳定姿态跟踪控制

许多空间飞行任务要求卫星姿态跟踪控制。由于卫星在跟踪过程中不可避免要受到各种干扰，因此有必要研究有扰情况下卫星的姿态跟踪问题。本文率先针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的姿态跟踪控制问题，采用退步法和内模原理设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了系统的全局渐近稳定性。理论分析和数学仿真结果表明该控制律能使系统全局渐近稳定，能够有效消除常值干扰和正弦干扰。     

面向新颖成像模式敏捷卫星的联合执行机构控制方法

为满足新颖成像模式对卫星姿态快速机动或对规划姿态的高精度跟踪控制需求,本文针对金字塔构型控制力矩陀螺（Control moment gyroscopes,CMG）群与反作用飞轮为联合执行机构的挠性敏捷卫星,提出一种融合以Legendre伪谱法实现卫星姿态及CMG群框架角速度最优规划的前馈控制、以非线性模型预测控制（Nonlinear model predictive control,NMPC）实现最优轨迹反馈跟踪的复合控制方法.在前馈控制律设计中,充分考虑了CMG群的力矩输出能力、奇异性及振动抑制性能等约束,规划获得了最优的CMG群框架角速度、卫星的姿态角及角速度.在反馈控制律设计中,以飞轮输出力矩能力、姿态机动快速性及能量为约束,设计了具有滚动优化思想的跟踪算法,补偿由于初始状态及转动惯量偏差等带来的控制误差.研究结果表明,在转动惯量存在偏差情况下,本文的控制方法仍是有效的,且表现出较强的鲁棒性.     

深空探测航天器姿态的自抗扰控制

本文针对一种带有挠性附件和液体晃动的深空探测航天器姿态控制问题,提出了自抗扰控制律.该控制律可以自主、有效地抑制挠性附件弹性振动和液体晃动对姿态角运动的耦合作用以及处理大范围的扰动和系统不确定性.基于四元数生成角速度跟踪指令,把控制问题由姿态角控制转化为角速度控制.通过设计扩张状态观测器实时估计并补偿角速度通道总扰动并结合角速度偏差反馈,使得角速度快速跟踪指令,进而实现控制目标.仿真结果验证了控制律的有效性和鲁棒性.     

微机械角速度传感器信号分析与处理

介绍了一种新型微机械角速度传感器的工作原理,详细分析了该传感器的干扰成分,提出了消除干扰力矩影响的信号处理方法。设计了静电力反馈控制方案,并进行了计算机仿真,证明该方法具有实用性。     

未知时变惯量航天器自适应姿态跟踪容错控制

针对存在未知时变惯量不确定性、执行机构衰退故障和外部干扰力矩的非刚体航天器系统,研究了航天器自适应姿态跟踪容错控制问题,结合非线性鲁棒控制方法、自适应方法、容错控制理论和参数估计方法,提出了一种鲁棒自适应姿态跟踪容错控制器。所设计的控制器克服了执行器故障、惯量不确定性以及外界干扰对系统稳定性的影响,保证了航天器姿态及角速度能够跟踪上时变的期望状态,实现了跟踪误差系统最终一致有界稳定。最后通过数字仿真验证了所提方法的有效性,并且与已有方法进行了对比,说明了所提方法的优越性。     

航天器姿态输出反馈抗干扰跟踪控制

针对采用四元数描述的航天器姿态运动模型研究输出反馈抗干扰跟踪控制问题.首先在姿态运动模型的基础上,结合四元数的性质设计扩张状态观测器(extended state observer,ESO)来估计角速度和干扰力矩,从理论上保证了ESO中的四元数状态满足范数约束,并证明了观测误差的收敛性;进一步利用互连和阻尼分配无源控制(interconnection and damping assignment passivity-based control,IDA--PBC)理论设计控制律,通过姿态和角速度误差状态变换以及引入误差积分项,使得期望的姿态和角速度误差,以及积分项误差运动方程中均出现阻尼项,提高了系统的抗干扰性能,最后利用Laypunov函数证明了闭环系统一致最终有界稳定.仿真结果验证了所设计ESO和IDA--PBC控制律的有效性.     

轮式移动机器人的位置量测输出反馈轨迹跟踪控制

针对机器人的姿态角难以精确测量的困难,本文研究基于位置测量的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题.首先提出一种利用机器人的位置信息估计其姿态角的降维状态观测器,当机器人的线速度严格大于零时,可保证姿态角观测误差的指数收敛.然后给出一种新的状态反馈轨迹跟踪控制律,当参考轨迹满足一定的激励条件时,可以保证机器人的线速度严格大于零且跟踪误差全局渐近收敛.进一步结合姿态角观测器和状态反馈控制律,得到一种输出反馈轨迹跟踪控制算法.理论分析表明,当参考轨迹满足一定的激励条件时,所提出的输出反馈控制算法可以保证跟踪误差的全局渐近收敛.最后对所提出的姿态角观测器、状态反馈和输出反馈轨迹跟踪控制算法进行了仿真验证,证实了算法的有效性,并且当存在位置测量误差时,所提出的输出反馈轨迹跟踪控制算法仍可以保证机器人对参考轨迹的实际跟踪.     

Synchronization of multiple autonomous underwater vehicles without velocity measurements

In this paper,we investigate the synchronization control of multiple autonomous underwater vehicles (AUVs),considering both state feedback and output feedback cases.Treating multiple AUVs as a graph,we define the tracking error of each AUV with both its own tracking error and the relative position errors with respect to its neighbors taken into account.Lyapunov analysis is used to derive the control law for each AUV.For the output feedback case,a passive filter is used to compensate for the unknown relative velocity errors among AUVs,and an observer is employed to estimate the velocity of the AUV itself.Rigid mathematical proof is provided for the proposed algorithms for both state feedback and output feedback cases.Simulations are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.It is shown that,the synchronization error is smaller in the case of considering the relative errors between AUVs than in the case of considering the tracking error of the single AUV only.     

Finite‐time angular velocity observers for rigid‐body attitude tracking with bounded inputs

The attitude tracking of a rigid body without angular velocity measurements is addressed. A continuous angular velocity observer with fractional power functions is proposed to estimate the angular velocity via quaternion attitude information. The fractional power gains can be properly tuned according to a homogeneous method such that the estimation error system is uniformly almost globally finite‐time stable, irrespective of control inputs. To achieve output feedback attitude tracking control, a quaternion‐based nonlinear proportional‐derivative controller using full‐state feedback is designed first, yielding uniformly almost globally finite‐time stable of the attitude tracking system as well as bounded control torques a priori. It is then shown that the certainty equivalent combination of the observer and nonlinear proportional‐derivative controller ensures finite‐time convergence of the attitude tracking error for almost all initial conditions. The proposed methods not only avoid high‐gain injection, as opposed to the semi‐global results, but also overcome the unwinding problem associated with some quaternion‐based observers and/or controllers. Numerical simulations are presented to verify the effectiveness of the proposed methods. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

无需角速度的含通信时延卫星编队飞行自适应姿态协同跟踪控制

针对编队卫星姿态协同跟踪控制中存在相异星间通信时变时间延迟的问题,提出了采用一阶滤波器来设计含通信时延的输出反馈控制器, 并通过引入参数在线自适应辨识技术,以实现利用卫星姿态误差信息来实现对卫星的转动惯量进行在线估计.对于系统稳定性的分析, 通过构造一新型Lyapunov函数,证明该控制器不仅能够有效地克服通信时间延迟对编队系统协同性的影响,同时可论证无需角速度信息反馈的闭环系统的有界稳定性.最后,将提出的算法应用于只需要角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景.     

Robust iterative learning control for multi-phase batch processes: an average dwell-time method with 2D convergence indexes

In order to cope with system disturbances in multi-phase batch processes with different dimensions, a hybrid robust control scheme of iterative learning control combined with feedback control is proposed in this paper. First, with a hybrid iterative learning control law designed by introducing the state error, the tracking error and the extended information, the multi-phase batch process is converted into a two-dimensional Fornasini–Marchesini (2D-FM) switched system with different dimensions. Second, a switching signal is designed using the average dwell-time method integrated with the related switching conditions to give sufficient conditions ensuring stable running for the system. Finally, the minimum running time of the subsystems and the control law gains are calculated by solving the linear matrix inequalities. Meanwhile, a compound 2D controller with robust performance is obtained, which includes a robust extended feedback control for ensuring the steady-state tracking error to converge rapidly. The application on an injection molding process displays the effectiveness and superiority of the proposed strategy.     

基于信息融合估计的离散线性系统预见控制

针对期望轨迹和干扰可预见的离散线性最优跟踪问题, 提出了一种基于信息融合估计的预见控制方法. 推导了最优预见控制律的融合估计过程和最优预见性能指标. 建立了包含状态反馈项、目标和干扰前馈补偿项的信息融合预见控制系统, 并分析了其渐近特性和稳态跟踪误差问题. 直流电机系统的仿真结果表明, 信息融合预见控制下的系统跟踪性能随着预见步数的增加而迅速提高并趋于稳定, 且综合考虑跟踪误差与能量消耗时要优于传统预见控制.     

卫星姿态的状态转移控制

本文面向卫星的应用需求,对卫星姿态的运动学和动力学进行了分析与建模.利用反馈线性化,将姿态运动的高阶非线性项包含在姿态控制中,通过局部动态线性化,将动力学系统近似为定常系统.通过幂级数法对系统进行了状态转移过程的求解.采用模型预测的方法获得姿态角和姿态角速度的预期偏差.通过广义逆变换构造关于偏差的最小范数、最小二乘控制器.提出了一种基于状态转移的卫星姿态机动、跟踪与稳定控制的新方法.控制器的参数具有根据系统采样周期和当前状态时变自适应的特点.考虑帆板挠性及多种偏差和噪声影响,仿真验证了方法的可行性和有效性.     

Optimal Output Feedback Controllers for Spacecraft Attitude Tracking

This paper investigates the problem of output feedback attitude tracking control of a rigid spacecraft in the presence of external disturbances. Two optimal control laws with a disturbance estimator are developed to deal with this problem. An adapted extended state observer is used to estimate the angular velocity tracking errors and to allow for compensation for the total disturbances. The proposed control can be expressed as the sum of a nonlinear optimal controller and an estimated disturbance. For the optimal controller, the state‐dependent Riccati equation and optimal Lyapunov techniques are employed to solve the infinite‐time nonlinear optimal control problem. The developed controllers can minimize a performance index and ensure the stability of the closed‐loop system and external disturbance attenuation. On the other hand, using the adapted extended state observer, the asymptotic convergence of estimation error dynamics is proven. An example of multiaxial attitude manoeuvres is given and simulation results are included to demonstrate and verify the usefulness of the proposed controllers.