质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

使用固体火箭发动机的快速机动卫星质量矩控制研究

针对使用固体火箭发动机进行卫星快速变轨机动时的姿态翻转问题,提出使用二维质量矩控制技术予以解决。首先分析了喷气阻尼力矩对三轴稳定卫星姿态的影响,随后建立了考虑推进剂燃烧过程的完整动力学模型,并从通道耦合以及扰动力矩角度对模型特性进行了分析;最后利用仿真手段对质量矩控制卫星姿态的可行性进行了仿真分析,同时考察了发动机不同装药形式以及外形尺寸对控制系统操纵性能的影响。结果表明:二维质量矩控制卫星姿态是切实可行的,且短粗型的发动机结构对控制系统设计更加有利。     

质量矩再入飞行器的参数优化和性能分析

 为满足模型的有效性和可操作性,提出了以个体为对象的质量矩再入飞行器（MMV）动力学分析方法,即依靠内力和过载等物理量定性分析并设计主要参数后,再写出姿态、滑块完整动力学方程。该方程在保证MMV机动性不变的前提下,降低了系统耦合性;以驱动滑块运动的内力为控制量的简化方程是仿射型非线性方程,与精确方程的状态响应相比迎角偏差在0.01°以内,因此该方法降低了自动驾驶仪的设计难度。     

基于RBF网络的质量矩导弹姿态控制

研究了三轴稳定质量矩导弹姿态控制问题.建立了内部带有3个可移动滑块的数学模型.利用RBF(radial basis function)网络的快速自学习、自适应特性, 作为被控对象的模型, 不断调整PID控制器的参数, 协调控制滑块位置, 从而改变导弹的飞行姿态.最后讨论了滑块运动特性对系统性能的影响并对系统稳定性进行了分析.仿真结果表明该控制律在保证系统稳定的情况下有效地实现导弹的姿态调整, 并且提高了系统的动态响应品质.      

基于内模原理的变质心弹头控制

研究了变质心弹头对配平攻角的能达性条件。针对气动力矩小于滑块惯性力矩的控制失稳问题,利用内模原理,通过增加滑块动力学观测器,将滑块状态引入并结合逆解耦机制,达到去惯性力矩化的局部姿态角速度反馈条件,使用自适应PD控制实现弱气动环境下的变质心稳定控制。仿真结果验证了该方法的有效性。     

具有主动磁控的重力梯度稳定系统的研究

介绍了主动磁控太阳同步轨道遥感小卫星控制系统的分析与设计,其中包括卫星广义动力学模型的建立,磁偶极子分配与生成以及满足控制能限要求的系统分析与设计等,最后,通过数学仿真人出稳定系统的性能指标,仿真结果表明,对于具有非线性,变系数和交叉耦合的广义飞行器动力系统,主动磁控加重力梯度稳定可使卫星姿态达以优于５度的对地指向精度。     

绕飞监测小卫星姿轨联合自适应控制研究

针对小卫星近距操作过程中轨道和姿态控制问题,建立了小卫星相对轨道和姿态的误差动力学模型。采用相对轨道和姿态联合控制策略,并考虑小卫星作业过程中质量和转动惯量的不确定性,设计了自适应输出反馈控制律,并证明了其稳定性。最后以对圆轨道目标星近距离环航为例,根据作业任务和姿态指向要求,设计了小卫星相对轨道和姿态的期望运动,应用所提出的控制策略及相应的控制律进行了数值仿真。结果表明,系统跟踪误差能够较快收敛,说明了控制策略的有效性。     

大载荷摆动情况下飞行器姿态控制研究(英文)

天文观测卫星的主敏感器安装在一个具有二自由度、并直接与卫星平台相连的万向支架上。因敏感器的质量和长度不能忽略,故卫星姿态及其质心位置、转动惯量等结构参数将因敏感器与卫星间的角运动而发生改变,因此大载荷摆动情况下的飞行器姿态控制是本文研究的重点。本文根据动量矩定理推导出了存在内部相对运动的二刚体动力学模型,卫星系统的转动惯量将由该模型确定。由卫星的当前及其期望姿态四元数,构建出描述卫星姿态偏差的拟欧拉角;对拟欧拉角进行规范化处理,以保证三通道所对应的拟欧拉角分量分别由控制力矩的3个分量所控制。之后,提出了基于拟欧拉角的姿态开关控制律,该控制律可保证三通道所对应的相轨迹可沿开关线滑向坐标原点(其期望状态)。仿真结果表明,即使是在结构不对称和三通道严重耦合的情况下,该控制律也能保证卫星姿态可以得到较好的控制。     

空空导弹大角度姿态反作用喷气控制

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹初始段敏捷转弯方法,研究了装有反作用喷气控制系统的空空导弹的大角度姿态过失速机动控制律。反作用喷气控制系统用来提供大角度敏捷转弯时大攻角飞行的控制力矩。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看作快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律,利用滑动模态方法设计了快子系统控制律,在该控制律作用下,导弹闭环系统不仅是稳定的而且其动态品质也可以得到保证。分析了控制系统的鲁棒性,结果表明所提控制方法能够有效消除空空导弹大角度姿态机动时转动惯量变化以及各种力矩干扰的影响。最后给出了一个实例来说明姿态控制在空空导弹敏捷转弯中的应用。     

变质心再人飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再人飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再人飞行器的控制系统。仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求。     

空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.     

质量矩导弹构型及自适应控制律设计

 质量矩导弹姿态运动模型含有活动质量块的位置、速度和加速度项,是典型的带有输入非线性的快时变多体系统。从构型和控制律设计两方面入手研究该类导弹跟踪控制问题。通过对姿态动力学模型的深入分析,获得了一种使系统具备良好动态品质的构型。以此为基础,建立了仿射型姿态运动模型,利用退步方法设计了控制律;考虑到系统中存在气动参数、外界扰动和执行机构动态特性等不确定因素,设计了鲁棒自适应补偿项;最后进行数学仿真,通过与标准退步控制律进行比较,验证了该控制律的有效性。     

Local controllability and stabilization of spacecraft attitude by two single-gimbal control moment gyros

The attitude control problem of a spacecraft underactuated by two single-gimbal control moment gyros （SGCMGs） is investigated. Small-time local controllability （STLC） of the attitude dynamics of the spacecraft-SGCMGs system is analyzed via nonlinear controllability theory. The conditions that guarantee STLC of the spacecraft attitude by two non-coaxial SGCMGs are obtained with the momentum of the SGCMGs as inputs, implying that the spacecraft attitude is STLC when the total angular momentum of the whole system is zero. Moreover, our results indi- cate that under the zero-momentum restriction, full attitude stabilization is possible for a spacecraft using two non-coaxial SGCMGs. For the case of two coaxial SGCMGs, the STLC property of the spacecraft cannot be determined. In this case, an improvement to the previous full attitude stabilizing control law, which requires zero-momentum presumption, is proposed to account for the singu- larity of SGCMGs and enhance the steady state performance. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness and advantages of the new control law.     

基于开环补偿的飞机偏航角控制系统设计及仿真

飞机侧向姿态运动的有关侧向力、力矩具有较强耦合性,且基于副翼、方向舵对侧向运动实施控制,侧向运动这些特点必然导致侧向控制系统设计的复杂性。为设计飞机偏航角侧向姿态控制系统,首先,基于飞机侧向运动的动力学方程组,建立了飞机侧向姿态控制系统全面运动结构图;然后,在分析全面运动结构图基础上,基于开环补偿原理,设计了一种飞机偏航角侧向姿态控制系统,即通过引入交叉传动比,将滚转通道的γ信号引入偏航通道,通过调节来实现基本协调转弯的控制结构方案;最后,在Matlab平台下,对所设计的飞机偏航角侧向姿态控制系统进行了大量仿真研究。仿真结果显示,通过调节可减弱飞机滚转运动和偏航运动的耦合影响,基于开环补偿的飞机偏航角侧向姿态控制系统是合理可行的。     

使用变速控制力矩陀螺的航天器鲁棒自适应姿态跟踪控制

 研究以变速控制力矩陀螺群（VSCMGs）为执行机构的航天器姿态跟踪问题。采用四元数描述姿态, 在姿态误差的描述中引入了现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵。考虑执行机构模型参数不确定和有外干扰的情况, 姿态误差动力学方程为多输入多输出(MIMO)的非线性系统。基于Lyapunov理论设计了鲁棒自适应控制器, 运用光滑投影算法避免了估计参数陷入奇异。仿真结果表明, 设计的鲁棒自适应控制律明显地缩小了姿态跟踪误差, 很好地解决了外部环境干扰和执行机构由于安装误差或机械磨损造成的轴承方向未对准的问题。     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

星上光学有效载荷的两级隔振研究

为实现星上光学有效载荷的高成像性能,对星上光学有效载荷的两级隔振进行了研究。所谓两级隔振,即除了对控制力矩陀螺群(CMGs)等执行机构振动源进行隔振外,还在光学有效载荷和星体之间加入隔振装置。首先建立了含有两级隔振系统以及CMGs和太阳帆板的整星动力学模型,并采用ADAMS工程软件验证了所推导模型的正确性;其次,在合理假设的基础上简化模型,分别求得由扰动源到星体和有效载荷的传递函数矩阵,分析CMGs隔振平台参数变化对姿态控制系统的影响,选择合理参数分析两级隔振系统的频域特性;最后通过数值仿真分析了两级隔振系统在星上应用的可行性,并通过频谱对比分析两级隔振系统对光学有效载荷姿态稳定度的改善程度。     

飞翼布局无人机反演自抗扰姿态控制

针对飞翼布局无人机模型强非线性、大不确定性及多变量强耦合等问题,设计了基于块控反演控制技术的姿态控制律,并采用自抗扰控制中的线性扩张状态观测器实现了对模型总不确定性的估计。为解决因阻力方向舵舵效非线性以及舵环节指令跟踪延迟造成控制系统动态性能下降的问题,采用函数拟合法解算阻力方向舵舵偏指令,并利用二阶振荡环节对观测器进行抗时滞处理。仿真结果表明,所设计的姿态控制律能够使飞翼布局无人机准确跟踪姿态指令,并具备较强的鲁棒性与良好的动态性能。     

基于泵式流体回路的小卫星姿控/热控一体化执行机构设计

 主要研究了小卫星姿控/热控一体化执行机构的设计问题.首先,根据流体回路中液体流速变化对小卫星产生力矩实现姿态控制、液体流动吸/散废热实现热控制的原理,提出一种姿控/热控一体化执行机构设计方案.然后针对该设计方案,利用以电机转速为变量的流体回路内压强和电磁力矩方程,推导了一体化执行机构姿控力矩模型;利用散热量随流体回路流速的变化,建立了一体化执行机构热控模型.最后,针对某小卫星设计了基于姿控/热控一体化执行机构的闭环控制系统,并针对该一体化执行机构设计了一种姿控/热控解耦算法,对其姿控/热控能力进行数学仿真验证,仿真结果证明了该一体化执行机构的有效性.