预警卫星前馈复合控制研究

预警卫星在轨工作期间,星载扫描相机将对关注区域进行南北往复扫描,凝视相机对发现的目标进行跟踪探测。文章以美国天基红外系统为背景,研究了相机扫描运动对星体产生干扰力矩作用下的姿态稳定控制问题,在星体反馈控制基础上增加了相机扰动的前馈补偿控制。针对扰动力矩大于执行机构最大输出力矩的问题,基于动量矩守恒定律,设计了用于补偿相机扰动力矩的前馈控制器,实现了卫星姿态的反馈控制加前馈补偿的复合控制方法。仿真结果表明该方法能够较有效地抑制相机运动引起的姿态扰动。     

具有运动部件的预警卫星姿态前馈复合控制

研究了预警卫星在扫描相机干扰作用下的姿态稳定控制问题。在反作用轮输出力矩饱和限制条件下 ,基于动量守恒定理 ,设计了用于补偿扫描相机干扰作用的前馈控制器 ,从而提出预警卫星姿态的反馈 -前馈复合控制方法。仿真结果表明该方法能够较有效地抑制由于扫描运动引起的卫星姿态扰动 ,具有设计简单、易于实现等特点。     

三轴气浮台挠性航天器动力学模拟方法研究

本文研究利用气浮台上的动量轮执行机构,模拟卫星上挠性附件振动产生的干扰力矩的卫星物理仿真实验方法,以克服三轴气浮台不能直接安装挠性附件进行仿真的局限性.本实验方法通过设计一个跟踪控制器,令气浮台的姿态角速度跟踪挠性卫星参考动力学,并由动量轮产生控制力矩,该力矩即是实验模拟的挠性振动干扰力矩.理论和仿真研究表明:(1)本文提出的挠性干扰力矩模拟方法可以较好地模拟低阶挠性振动干扰力矩;(2)理论上当控制器的增益参数越大,系统能够模拟的干扰力矩频率就越大,但是由于测量噪声的影响,反馈增益不能选得过大;(3)本方法模拟的干扰力矩与真实干扰力矩存在一定的相位延迟,这是由于控制器和执行机构的固有延迟造成的.通过引入超前-滞后校正网络可以有效减小延迟的影响.     

机电伺服系统重复学习控制器设计

设计了一种p+A-Type ILC位置环重复学习控制器,并成功应用于某一需求高速高精度实时控制的机电伺服系统中,伺服控制技术采用经典的基于转子磁场定向的矢量控制技术,速度环控制器和电流环控制器采用经典的PI控制器,位置环采用p+A-Type ILC控制器,其中p控制器用于随机干扰的抑制,AType ILC用于伺服作动器重复往返运动以及固有的偏心质量等时变非线性负载的负载惯量和有规律干扰的补偿,并进行了与经典P位置控制器的对比试验验证。实验结果表明:采用本项目的控制器使得位置超调比采用P控制系统降低了50%,实现了高速高精度的实时控制,满足了伺服系统时变非线性负载下的不同工况需求,系统鲁棒性大大提高。     

反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

高精度低连接刚度大惯量扫描镜控制系统设计

针对三轴稳定卫星内低连接刚度条件下的大惯量扫描镜负载在低速摆动时易出现机械谐振的问题，基于电流-速度-位置三闭环控制结构，研究并提出一种有效的易于工程实现的优化控制方法，抑制机械谐振同时提高扫描镜系统的控制性能。首先，根据动力学关系对低刚度连接的电机与扫描镜控制对象建立理论的简化控制模型。然后，分析加速度反馈抑制谐振、提高系统控制性能的原因，并借助电流和位置反馈信号建立加速度观测器获取电机加速度并反馈，仿真分析该方法的优化效果。最后，在实际系统上进行实验检验，对比系统控制误差的变化。结果表明：提出的优化控制方法能够有效地抑制机械谐振，提高系统的控制带宽和动态精度。     

周期性变速扫描机构驱动控制方法研究

针对存在周期性变速运动的微波遥感器机械扫描驱动系统，根据其扫描运动的速度、位置控制要求，采用步进电机做为执行元件研制开发了一套驱动控制系统。该系统不仅能完成运动轨迹的控制，而且速度精度和扫描周期的误差等指标满足给定的要求。描述了该系统的组成，转速、转矩等参数的特性匹配设计过程以及控制实现方法，并对系统的速度精度、扫描周期误差等主要性能测试进行了简单介绍。     

基于重复控制的遥感器两轴随动同步控制系统

扫描系统可以使光学遥感器获得更大的成像幅宽。为实现大角度扫描,光学系统采取扫描主镜和半角随动镜的两轴形式。文章对光学遥感器扫描系统两轴随动的同步控制问题进行了研究,针对两轴随动装置周期性较强的特点,提出在主从同步系统的常规PID控制系统基础上增加重复控制环节,重新设计了一个改进的同步控制器。利用重复控制对周期性外激励信号的跟踪、抑制性好的特点,增强系统对同步误差的抑制作用。仿真结果表明,利用重复控制理论设计的同步控制器在保证原有系统跟踪精度和动态性能的前提下,有效的减小了扫描成像时间段内的同步角度误差。扫描成像阶段内同步误差减小了78%。     

柔性多体卫星自抗扰控制系统的研究

设计了一种新型的姿态控制器一姿态自抗扰控制器。采用简化了的刚体动力学模型，即把柔性太阳帆板与柔性天线等的振动都看作外干扰，对象的不确定性、未建模动态与外干扰的总量都由自抗扰控制器估计出，再用该估计总量实现动态反馈补偿。该姿态控制器，只需控制输入转换矩阵的估计值，无需精确的卫星动力学模型。改变星体转动惯量或设置干扰力矩情况下的数学仿真表明，所设计的自抗扰控制器具有较小的稳态误差、较快的动态响应及对干扰有较强的抑制能力。     

敏捷SAR卫星平台载荷一体化控制方法研究

面向具备波束指向捷变能力的小型化敏捷合成孔径雷达(SAR)卫星成像需求,提出了通过平台姿态敏捷机动和载荷波束捷变扫描一体化控制实现条带成像、多条带拼接成像、滑动聚束成像等传统成像模式的方法。针对配合成像过程提出的大角度机动和高精度高稳定度连续指向跟踪控制要求,采用5个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成的"五面锥"构形控制力矩陀螺群作为执行机构,设计了基于姿态四元数和角速度反馈的改进型递阶饱和控制器,实现了平台的敏捷机动和对目标的稳定跟踪指向。数学仿真结果表明:该控制系统有效可行。     

傅里叶光谱仪光程扫描的鲁棒H_∞控制设计

为满足星载时间调制型傅里叶光谱仪光程扫描速度稳定性要求,针对星载光谱仪精密扫描跟踪系统的特点,提出一种鲁棒H无穷(H∞)控制器设计方案。文章首先分析建立了光程扫描系统的数学模型;在此基础上,为达到控制性能要求和鲁棒性要求,采用H∞混合灵敏度的设计方法,阐述了鲁棒H∞控制器设计中加权函数的选择依据和确定过程,利用Matlab鲁棒控制工具箱得到H∞最优控制器。考虑卫星平台振动的影响,建立干扰源模型,对外界干扰的影响进行了仿真验证。仿真结果表明,所设计的鲁棒H∞最优控制器具有良好的扫描跟踪特性,对外界干扰具有良好的鲁棒性,达到了星载光谱仪对高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能要求。     

基于最优控制/自抗扰控制的直/气复合控制系统设计研究

为提升控制系统的性能,对直/气复合控制导弹的控制系统设计进行了研究。以俯仰通道为例,用最优控制理论设计了基于状态反馈的导弹俯仰通道控制回路,用线性二次型调节器(LQR)获得控制律。给出了加权矩阵的选取方法:依次调整表征过载偏差、角加速度和角速度的权重,使求出的反馈增益系数满足要求。针对状态反馈控制律无法快速抑制直接力开启带来的干扰问题,用自抗扰控制(ADRC)理论改进了控制器,通过构建状态观测器在线实时估计外界干扰并予以补偿,快速抑制扰动。仿真结果表明:用最优控制/自抗扰控制设计的控制器跟踪速度快,动态过程平稳并具有较强的干扰抑制能力,提高了系统的鲁棒性。     

有大型挠性附件的卫星姿态线性鲁棒控制器设计研究

针对有大型挠性附件的卫星高精度高稳定度姿态控制问题,提出了一种基于H_2/H_∞混合控制理论的控制器设计方法。为尽量减少控制器变量的影响以提高其性能,选择刚体卫星模型建立了控制模型,卫星三轴姿态解耦,基于H_∞方法分别设计了三轴控制器。引入三个输出量,考虑三者间关系,设计相应的加权系数,所得H_∞控制器在数学仿真中有较佳的控制效果。考虑实际工程中源于控制周期和执行机构非线性的大幅值高频干扰等因素,用两种方法进行改进:一是设计H_2/H_∞混合控制,抑制噪声的影响,减小输出力矩的振荡;另一是在控制器的速率输入端添加滤波器,防止转速飞轮的高频干扰力矩激发控制器或整个系统的振动。设计的控制器以被动振动抑制方法为基础,考虑现有星上单机的技术条件及速率闭环飞轮的输出特性,通过选择合适的性能输出和反馈信息,在较低的闭环控制系统带宽下实现了大型挠性卫星的高精度高稳定度姿态控制。由数学仿真给出了设计的控制器及其性能,仿真和半物理试验结果均表明设计的H_2/H_∞混合控制器的控制精度、稳定度和挠性振动抑制效果均明显优于传统比例积分微分(PID)控制器。     

反作用飞轮力矩模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件，提高飞轮系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。介绍了反作用飞轮力矩模式反馈补偿控制系统的设计。首先建立了反作用飞轮数学模型，并分析了摩擦力矩干扰和速率测量噪声的特性，在此基础上进行了反馈补偿控制的设计。理论分析证明，应用反馈补偿控制的飞轮系统能够精确复现力矩输出指令。运行结果表明，在复现力矩输出指令精度方面，应用反馈补偿控制的飞轮系统优于电磁力矩控制的飞轮系统。特别在克服过零力矩干扰上，应用反馈补偿控制的飞轮系统具有较高的性能。     

最小方差关连控制设计

本文讨论了最小方差关连控制设计问题,在随机干扰作用下系统需设计为最小方差,以抑制干扰和跟踪输入信号,本文将最小方差应用于关连设计,将各子系统之间的关连看成是可变的,且将各子系统的关连看成是回路反馈,以最小方差进行反馈设计,这里出现的新问题是反馈通过了多个控制器闭合,需同时使各子系统皆运行在最小方差状况下。文中以具有二子系统和二控制器的关连反馈为例、得到了最小方差关连控制的实观条件。文中给出了例题以示该方法的应用。这一方法对强关连系统提出了新的设计思想:一种将关连考虑在内的综合设计思想。     

基于输出反馈H_∞控制的跟瞄平台稳定控制研究

不考虑光电跟瞄平台环架之间的耦合,建立了外界干扰作用下,环架运动的状态空间模型;基于线性矩阵不等式(LMI)对光电跟瞄平台的方位、俯仰及横滚环,分别设计了输出反馈H_∞稳定控制器。仿真结果表明,该控制器能够实现对光电跟瞄平台的稳定控制,且在模型参数存在摄动和含有多种干扰的情况下,几乎不影响其控制效果,具有良好的鲁棒性及抗干扰能力,满足光电跟瞄平台稳定控制需要。     

转台伺服系统的动态滑模控制研究

为削弱转台控制系统中各种干扰力矩的影响,利用滑模控制鲁棒性良好的特点,提出一种动态滑模控制(DSMC)方法。根据转台伺服系统模型,设计了动态滑模控制器,并分析了其稳定性。传统比例积分微分(PID)控制和DSMC在转台系统外加高频干扰力矩时的仿真结果表明:DSMC可更有效地抑制力矩干扰,具更强的鲁棒性,产生的抖振更小。     

近空间高超声速飞行器输入饱和抑制模糊自适应控制

针对近空间高超声速飞行器三通道姿态跟踪控制问题，提出了一种基于输入饱和抑制的非线性模糊自适应滑模控制器。考虑到飞行器模型具有严格反馈形式的特点，以反步法为基础，结合非奇异快速Terminal滑模方法设计控制器。设计了模糊系统估计模型中的干扰项，并通过自适应鲁棒项补偿估计误差，引入非线性增益函数提高控制系统的饱和抑制能力，并基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。最后，通过仿真对比实验验证方法的有效性。仿真结果表明，所设计的控制器能够保证飞行控制系统在存在模型参数不确定性的情况下具有良好的姿态跟踪性能和输入饱和抑制能力。     

基于插入式重复控制的摆动扫描控制系统研究

文章分析了重复控制器的基本原理和稳定条件,针对摆动扫描控制系统,在不改变原来控制系统设计的基础上,采用一种插入式重复控制器,极大地提高了摆动扫描系统的位置跟踪精度,提高了摆动扫描的控制性能.     

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。