有效性因子在卫星姿控系统集成故障诊断与容错控制中的应用

 研究了在轨卫星姿态控制系统(ACS)发生可修复性故障状况下的集成故障诊断与容错控制。考虑执行机构和敏感器分别或同时出现故障,相应地分别或同时在姿态动力学和运动学方程引入控制有效性因子和测量有效性因子,利用二级卡尔曼滤波算法求解其值,以说明系统的控制以及测量的有效程度。采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障,当故障发生时,引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证,仿真结果表明该算法快速可靠,能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

欠驱动直连式三体绳系卫星非线性姿态跟踪控制

针对存在外部有界干扰和控制饱和的欠驱动直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式非线性控制方法。首先考虑单体欠驱动绳系卫星姿态模型,由于其复杂的非完整动力学特性,应用微分同胚映射的方法先将模型进行转换,进一步基于反步法设计了欠驱动姿态跟踪滑模控制器,并结合抗饱和方法解决了控制受限的问题。然后应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。进一步考虑绳系卫星系统的运动同步性,将欠驱动单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至直连式三体绳系卫星姿态系统,设计了分布式欠驱动非线性控制器。最后进行了数学仿真,验证了本文所设计控制方法的有效性。     

四元数在伴随卫星姿态控制中的应用

针对传统的欧拉角方法不适用于航天器大幅度姿态机动运动的数值仿真。研究了用四元 空间站伴随卫星的姿态控制问题。介绍了空间站伴随卫星的概念及任务;根据航天器动力学方程,利用李雅普诺夫直接法推导出用四元数表示的空间站伴随卫星姿态控制律,并对该控制律进行了仿真计算,仿真结果表明,所推导的控制律能对空间站伴随卫星进行准确、快速的姿态控制。     

重力测量卫星三轴稳定模型预测控制方法

基于卫星重力测量姿态控制任务需求,提出了一种基于模型预测控制的三轴姿态稳定控制方法.给出了将控制力矩和扰动力矩分别作为控制变量和测量扰动的线性化方程,并将推力大小及其变化量作为约束条件.基于离散化状态方程,提出了满足多种约束条件的预测控制方法.通过数学仿真表明了模型预测方法对内编队卫星三轴稳定控制的有效性和可行性.     

直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制

 针对存在参数不确定性以及外部有界干扰的直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。该方法首先针对单体绳系卫星姿态模型,在不考虑参数不确定性和干扰的条件下,应用Hamilton-Jacobi-Bellman方程设计了最优控制器;接着,考虑到实际系统存在参数不确定性和干扰,采用自适应与鲁棒误差积分方法在线学习参数不确定性和有界干扰,与最优控制器结合设计了鲁棒最优控制器,使闭环系统满足了性能指标达到最小的要求,并应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的渐近稳定性。进一步考虑到绳系卫星系统的运动同步性,将单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至直连式三体绳系卫星姿态系统,设计了分布式鲁棒最优控制器。最后在MATLAB/Simulink平台上进行了仿真,验证了方法的可行性与有效性,表明其具有潜在的应用前景。     

自旋稳定卫星姿态参数递推容错LS估计

准确计算自旋稳定卫星姿态参数是正确实施姿态控制的前提。本文基于最小二乘（LS）理论，建立了在线计算卫星姿态参数的一组具有容错功能的递推LS算法，简要论证了该算法具备良好的统计最优性质。     

基于自适应动态规划的运载火箭智能姿态容错控制

针对运作火箭主动段发动机摆动执行机构故障下的姿态控制问题,结合自适应动态规划（ADP）方法设计了一种智能容错控制策略。该智能容错控制器主要包括2部分：容错稳定控制部分和优化补偿部分。容错稳定控制部分利用自适应和滑模变结构控制设计,主要维持执行机构故障下姿态控制系统的稳定,保证姿态跟踪误差的有限时间收敛;优化补偿部分采用执行-评价结构,利用ADP的在线学习优势,根据姿态系统的跟踪误差（尤其是系统故障、强干扰导致的跟踪偏差）,设计ADP算法产生补偿控制来进一步优化姿态控制系统的跟踪性能。仿真验证表明,即使存在外部干扰和执行机构故障的情况下,所提方法仍能保证系统稳定且精确跟踪指令信号。     

基于等倾角进动的自旋卫星姿态控制方法

姿态控制是自旋稳定卫星控制的基本任务之一,其控制方法有多种,本文主要针对等倾角法进行研究。首先介绍等倾角法姿态控制的基本原理,然后详细地给出姿态控制前需确定的理论执行角、实际执行次数和时延等控制量的具体计算方法,最后进行了姿态机动仿真控制。仿真结果表明,控制量的计算结果准确,控制过程的预测结果与实际控制过程一致。此方法已在多颗自旋卫星发射中得到应用和验证。     

基于多目标进化算法的卫星机动路径规划

建立了带挠性帆板卫星姿态控制问题的多目标优化模型,并基于一种多目标优化精英进化算法,规划卫星姿态机动的最优路径,以进一步提高卫星姿态控制系统的控制性能.仿真结果表明,所提方法只需运行一次,便能够有效地规划出一组多样性较好的非支配路径解,供决策者在不同的工作目标下选择,有效地缓解了卫星快速性、姿态稳定度、卫星机动所激发的帆板低振动强度之间的矛盾.      

过驱动轮控卫星的动态控制分配方法

反作用飞轮在卫星姿态控制中具有重要作用,配置3个以上飞轮的卫星构成一类过驱动系统,能够提高姿态控制系统的可靠性.针对期望控制力矩到冗余飞轮的指令分配问题,提出了一种基于伪逆法的动态控制分配方法,并针对传统伪逆法难以考虑飞轮最大力矩等物理约束问题,采用零空间方法对传统伪逆法给出的分配结果进行了修正.基于稳定控制模式下姿态...     

基于鲁棒故障观测器的非线性离散系统容错控制设计

针对存在执行器故障以及未知干扰的非线性离散系统,提出了一种鲁棒故障估计与容错控制方法。首先在未知系统干扰作用下,设计鲁棒故障观测器实现系统状态和执行器故障的同步估计;然后根据鲁棒故障观测器得到的系统状态估计和故障估计信息设计容错控制器,进行状态反馈容错控制,同时基于D稳定与H_∞控制理论对鲁棒故障观测器和容错控制器进行设计,实现了多约束条件下的故障估计与容错控制;最后用飞行控制系统模型验证了所提方法的有效性。     

Simultaneous state and actuator fault estimation for satellite attitude control systems

In this paper, a new nonlinear augmented observer is proposed and applied to satellite attitude control systems. The observer can estimate system state and actuator fault simultaneously. It can enhance the performances of rapidly-varying faults estimation. Only original system matrices are adopted in the parameter design. The considered faults can be unbounded, and the proposed augmented observer can estimate a large class of faults. Systems without disturbances and the fault whose finite times derivatives are zero piecewise are initially considered, followed by a discussion of a general situation where the system is subject to disturbances and the finite times derivatives of the faults are not null but bounded. For the considered nonlinear system, convergence conditions of the observer are provided and the stability analysis is performed using Lyapunov direct method. Then a feasible algorithm is explored to compute the observer parameters using linear matrix inequalities (LMIs). Finally, the effectiveness of the proposed approach is illustrated by considering an example of a closed-loop satellite attitude control system. The simulation results show satisfactory perfor-mance in estimating states and actuator faults. It also shows that multiple faults can be estimated successfully.     

人工智能在航天器制导与控制中的应用综述

航天器制导与控制技术是保障空间任务顺利实施的关键技术之一。当前,动力学模型的强非线性以及参数不确定性制约了高精度姿轨控技术的发展,而系统故障则决定航天器姿轨控的成败。以机器学习为代表的新一代人工智能技术航天器制导控制领域展现了巨大的应用潜力。首先对基于人工智能技术的轨迹制导和姿态控制中的研究发展及应用现状进行归纳,分析航天器轨迹规划、姿态控制、故障诊断以及容错控制技术的发展趋势。然后,从鲁棒轨迹规划、自适应姿态控制、快速故障诊断和自适应容错控制等4个方面总结适用于未来航天任务的航天器姿轨控关键技术。最后,针对智能姿轨控技术的应用所面临的挑战,从姿轨控架构、算法最优性、算法的训练以及技术验证等方面提出相应的发展建议。     

航天器姿控系统的PD型学习观测器故障重构

针对满足Lipschitz条件的航天器姿态控制系统这一非线性系统中存在的执行器加性故障、空间干扰与测量噪声问题,提出了基于PD型迭代学习观测器的故障重构方法。该方法具有期望的鲁棒性能指标,能够在系统存在空间干扰与测量噪声情况下实现对突变故障与时变故障等故障类型的精确重构。基于线性矩阵不等式技术给出系统化PD型迭代学习观测器的设计方法,并根据Lyapunov稳定性理论对上述设计方法的稳定性条件进行了理论证明,同时利用鲁棒技术抑制空间干扰与测量噪声对执行器故障重构的影响,通过线性矩阵不等式工具箱求解观测器参数矩阵。最后,将该方法应用到航天器姿态控制系统中,仿真结果证明了该方法的有效性。     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

Neural network-based fault diagnosis for spacecraft with single-gimbal control moment gyros

This paper proposes a neural network-based fault diagnosis scheme to address the problem of fault isolation and estimation for the Single-Gimbal Control Moment Gyroscopes(SGCMGs) of spacecraft in a periodic orbit. To this end, a disturbance observer based on neural network is developed for active anti-disturbance, so as to improve the accuracy of fault diagnosis.The periodic disturbance on orbit can be decoupled with fault by resorting to the fitting and memory ability of neural network. Subsequ...     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。     

基于旋转矩阵的预设时间航天器编队姿态协同控制

由多个航天器组成的编队系统对复杂的环境往往具有较高的适应性和容错性，能更高效率地完成单航天器难以完成的任务。因此主要针对多航天器系统的姿态协同控制问题，提出一种基于旋转矩阵的预设时间控制算法。首先，为了避免航天器姿态建模的奇异性和模糊性问题，采用旋转矩阵对航天器的姿态进行统一描述，同时结合有向的通信拓扑对航天器姿态协同控制系统进行建模。其次，为赋予系统可控的收敛速度，提出一种基于滑模的预设时间控制算法。该算法的引入使得航天器编队系统的收敛时间可以在合理的范围内任意给定。此外，为了实现系统对参数摄动和外部干扰的鲁棒性，采用神经网络和自适应算法对不确定性进行在线估计与补偿。最后，通过理论分析和数值仿真验证了所提预设时间控制算法的有效性。     

基于改进姿态控制系统模型的卫星多学科优化

分析了三轴稳定卫星姿态控制分系统与其它分系统的耦合关系,选定了姿态稳定方式和姿态控制系统硬件,建立了更为精确的计算姿态控制分系统质量和功率的分析模型,然后基于多学科设计优化协同优化算法建立了总体系统、姿态控制分系统、电源分系统和结构分系统的优化模型,最后用C语言对分析模型和优化模型编程计算.结果表明,分系统模型能与总体系统模型有效协调优化,得到更好的总体性能指标.