大型捆绑运载火箭反步自适应增广控制研究

针对大型捆绑火箭空间模态参数不确定性较大的特点,建立了大型捆绑运载火箭姿态动力学模型,提出了基于反步的自适应增广控制方法,设计了反步控制律,分析了自适应增广控制的机理,并针对弹性参数不确定性进行了仿真。理论分析和仿真结果表明,所提出的基于反步的自适应增广控制对于空间模态参数的不确定性具有很强的适应性。     

弹性飞机货物投放动响应分析

重型货物的投放会引起飞机严重的动力学载荷.激励载荷具有较宽的频带,能激起较多弹性模态的振动,而这种动响应可能被气动弹性效应变得更大.为此建立了弹性飞机重型货物投放动响应分析方法.同时考虑飞机的刚体运动和弹性振动模态,应用能量法建立了弹性飞机的刚弹性耦合动力学方程.应用气动力有理函数拟合技术,建立了货物投放动力学的状态空间方程.以静气动弹性配平结果为初始条件,对状态空间方程进行数值积分得到货物投放动响应.以某型运输机为例进行了无控和有控情况的响应分析,并研究了不同质量货物的投放对飞机动响应的影响.数值分析结果表明:弹性飞机比起刚体飞机会引起更为剧烈的货物投放响应;货物质量直接影响空投动响应的剧烈程度;对于无高度稳定的飞机,货物投放会引起飞行高度的降低.      

上面级轨道转移段姿态控制技术

由于姿态与轨道运动的耦合,以及制导系统确定的发动机推力矢量方向不通过系统质心所引起的干扰力矩,火箭上面级轨道转移段的姿态运动会受到很大的干扰,为此,研究了利用轨控矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气的上面级姿态控制技术。首先,利用凯恩方程建立包括上面级本体、发动机旋转支架以及矢量发动机的系统多体动力学方程,推导了矢量发动机工作时偏心引起的干扰力矩和推力矢量控制中矢量发动机的摆角计算公式,利用矢量发动机主动摇摆和滚转姿控发动机喷气控制上面级的姿态。其次,基于变结构控制方法,设计了上面级轨道转移段的姿态控制律,使得上面级轨道转移期间姿态控制的精度达到了10^-3级别,且矢量发动机推力矢量既为制导指令方向又通过系统质心,减小了矢量发动机对上面级的干扰力矩。最后,进行了数值仿真,仿真算例结果验证了控制律的可行性。     

带弹性伸展附件充液航天器姿态动力学研究

研究了带弹性伸展附件充液航天器姿态动力学问题.利用动量矩定理、动量矩守恒定律、牛顿运动定律导出液体运动方程、系统运动方程、弹性板质量微元运动方程.在板等速伸展的情况下,对板质量微元运动方程进行变换,通过尤格-库塔积分法求出板振动的振幅,再由系统运动方程求出航天器姿态角速率.      

如何设计一枚世界一流的大火箭?——长征五号运载火箭设计理念全解读

正"万丈高楼,起于设计。长征五号运载火箭的设计没有太多经验可以直接拿来,它是真正的跨代研制项目,是在一张白纸上重新画下每一根线。运载火箭专家、中国工程院院士龙乐豪说,长五火箭是新一代运载火箭的老祖宗。从这个意义上说,在我国火箭发展史上,长征五号运载火箭与长征二号运载火箭有着相似的意义。长五火箭启动研制是为了全面提升我国进入空间的能力,而不是以发射某个特定载荷为目标。     

基于主动约束层阻尼控制的大型挠性航天器动力学模型

以大型挠性航天器简化模型——中心刚体和固接板混合系统为对象,同时考虑板表面粘贴的主动约束层阻尼结构,根据拟坐标拉格朗日方程,建立了包含所有高阶小量的完整动力学模型。建模时,采用混合坐标描述中心刚体和主动约束阻尼板的运动,用Golla-Hughes-Mctavish模型描述阻尼材料的复模量。基于该动力学模型可进行空间柔性板振动的主动约束阻尼控制器设计和大型挠性航天器的姿态动力学研究。     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

系统模态下柔性航天器混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程;然后选择连体坐标系为浮动参考系,解所得到的动力学方程的特征值问题,得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换,得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合价值航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同,这时弹性运动方程中不存在来自刚体运动的惯性耦合项;同时也和采用系统自由弹性模性不同,这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论     

具有未知载荷参数的漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下, 漂浮基空间机械臂载体姿态及机械臂 关节协调运动的控制问题. 利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系, 建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程. 以此为基础, 针对空间机械臂末 端爪手所持载荷参数未知的情况, 设计了一种基于标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案, 即通过模糊自适应补偿控制器来弥补系统未知参数对标称计算力矩控制器的影响, 以确保存在未知系统参数情况下整个闭环控制系 统的渐近稳定性. 文中提到的控制方案能够有效地控制漂浮基空间机械臂的载体姿态及机械臂关节, 可以协调地完成期望的轨迹运动, 并具有不需要反馈和测量空间机械臂载体 的位置、移动速度、移动加速度, 同时也不要求系统动力学方程关于系统惯性参数呈线性函数关系的显著优点. 通过系统数值仿真证实了方法的有效性.      

挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制

针对挠性航天器掠飞观测目标时的建模与控制问题,提出了一种期望姿态运动规律解析模型和输出反馈自适应滑模控制律.通过定义期望姿态坐标系,将挠性航天器掠飞观测目标时的姿态指向运动转化为坐标系旋转运动.基于绝对轨道递推,推导出其掠飞观测目标时的期望姿态运动规律解析模型,进而建立了挠性航天器观测目标时的相对姿态动力学模型.在此动力学模型基础上,考虑惯量不确定性、挠性模态不可测和未知有界干扰,基于Lyapunov稳定性原理设计了含有惯量自适应律和挠性模态观测器的滑模控制律,给出了全局渐近稳定性证明.数值仿真结果表明,所建模型和设计控制律是有效的.     

基于偏置角动量的欠驱动航天器姿态保持控制

对有扰情况下欠驱动航天器三轴姿态保持控制问题进行了研究,提出一种基于俯仰偏置动量轮和滚动轴推力器的姿态保持控制方法。该方法基于偏置动量航天器滚动-俯仰轴耦合的原理实现,避免了欠驱动零动量航天器平衡点附近欠驱动轴耦合弱的问题;将航天器的姿态运动分为长周期运动和短周期运动,用极点配置方法进行控制律设计,给出保证系统稳定的参数选取范围,求出了系统稳态误差。最后,通过数值仿真验证了所设计的控制器不但能快速消除初始姿态偏差,而且能抵抗外干扰将航天器姿态保持在平衡点附近。     

一种高超声速飞行器的再入约束非线性控制方法

在再入过程中高超声速飞行器存在着多约束,包括角度,角速度,力矩约束,提出一种约束非线性控制方法.基于奇异摄动理论设计内外环解耦控制方案,控制系统的外环基于近似连续非线性预测控制和滑模预测实现角度跟踪,满足角速度约束和闭环稳定.强耦合的内环采用动态逆跟踪角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰,采用抗饱和技术在线调整控制参数,减少力矩饱和,提高内环的跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

并联式运载器的垂直发射建模与控制

为了有效控制垂直发射时并联式运载器的运动,设计了一个用于垂直发射的姿态控制方法,首先分析了欧拉运动学方程存在的奇异点,在此基础上给出了采用四元数描述的姿态运动学方程,建立了并联式运载器的姿态动力学模型,其次给出了并联式运载器的推力矢量模型,基于数学模型对推力矢量在不同配置方式下的控制效率进行了比较,最后给出了保证四元数收敛的切换函数,应用变结构控制理论设计了对于满足一定条件的不确定性具有完全鲁棒性的姿态控制律.仿真结果表明了该姿态控制方法的有效性.      

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

Stewart平台卫星动力学建模与姿态指向一体化控制

针对Stewart平台卫星大范围快速机动后的指向控制问题,提出了考虑翼板柔性的Stewart平台卫星动力学建模与姿态指向一体化控制方法。对考虑柔性翼板的Stewart平台卫星的动力学建模与主动控制进行了研究,采用力学基本原理和混合坐标法建立系统的刚柔耦合精确动力学模型,并提出一种同时考虑平台载荷指向与隔振的协同控制方案。数值仿真结果表明,所建立的动力学模型能够准确地描述系统的动力学行为,所提控制方案能够有效提高卫星平台的姿态指向精度。与未施加控制的情况相比,该方案能够将支撑杆的变形量减少到千分之一,从而保证了结构安全。此外,还分析了翼板柔性对Stewart平台卫星姿态控制的影响,结果表明翼板柔性对下平台姿态精度有较大影响,对上平台姿态精度影响较小。     

基于直接自适应的挠性航天器姿态稳定控制

针对挠性航天器姿态稳定控制,基于退步控制方法与直接自适应控制方法提出了一种自适应控制策略。首先将挠性航天器模型分解为运动学子系统和动力学子系统,并设计具有理想控制性能的参考模型;然后在姿态小角度的假设下,对满足近似严格正实性的姿态运动学子系统设计了直接自适应中间控制律;最后运用退步控制方法对航天器动力学子系统设计了姿态控制器,并证明了闭环系统的稳定性。理论分析和数值仿真结果表明该控制器对挠性航天器的姿态稳定控制是有效的。     

基于逆动力学和在线参数辨识的飞机姿态控制

传统的综合飞行/火力控制系统的设计使用了PID(Proportion-Integral-Differential)结构的飞行/火力耦合器,具有鲁棒性差、设计工作量大等缺点.提出了一种基于逆动力学和在线参数辨识的方法,用于直接设计综合控制系统中的姿态控制器.其中,对飞机的转动动力学方程,推导得到了其逆特性的解析形式;使用在线参数辨识方法,对飞机的气动特性进行估计并用于舵面分配.以六自由度非线性飞机模型为对象进行了仿真,结果表明所设计的姿态控制系统具有快速性好、通道间解耦效果明显、对气动模型误差的鲁棒性强等优点.本方法也可推广用于其他的飞行器姿态控制系统设计.     

基于PCH模型的航天器姿态无源控制

针对存在干扰力矩的航天器姿态控制问题,从能量角度提出一种基于端口受控哈密顿(PCH)系统模型的无源控制方法。通过将姿态控制系统表示为PCH形式,并增加与姿态误差积分有关的状态,利用互联和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)方法进行控制器设计,使得闭环系统具有期望的内部互连结构关系和能量耗散特性,所提出的控制方案能保证系统的输入-状态稳定性。进一步,考虑执行器的动态特性,利用反步法对控制指令进行补偿设计,结合指令滤波技术避免对虚拟控制量高阶导数的计算,并从理论上证明了闭环系统一致最终有界。仿真结果验证了本文所提控制方法相比于单独基于无源性控制方法的性能优势。