火箭末级离轨系统中电动力绳系释放条件分析与控制设计

绳系释放过程是电动力绳系火箭末级离轨技术的关键,开展了绳系释放条件分析及控制方案设计。首先,基于"珠式"思想,建立离轨系统绳系释放过程的刚-柔耦合动力学模型。随后,基于数值仿真开展绳系释放条件分析。仿真结果分析发现,释放时火箭末级初始姿态对绳系释放稳定性影响较大,仅靠绳系拉力控制,系统稳定裕度较小,很难保证绳系释放稳定性。据此,进一步提出了一种绳系稳定释放控制方案,并通过数值仿真验证了控制方案的有效性。     

绳系卫星被动释放无超调脉宽脉频调制控制

针对空间绳系卫星释放过程中无超调释放和正向速度约束问题,提出一种新的离散控制绳系无超调释放的方法。该方法基于绳系卫星系统动力学模型建立离散控制的动力学模型,通过反馈线性化和反步法设计出理想的释放轨迹。提出一种基于输入受限的离散控制算法,并运用该算法进行了理想释放轨迹跟踪仿真试验。结果表明,该离散控制方法可以实现绳系无超调释放,并保持释放速度始终非负。仿真结果验证了输入受限离散控制方法在空间绳系卫星释放过程中的有效性,为空间绳系卫星释放系统设计提供了参考。     

输入受限高超声速飞行器指数收敛状态反馈控制

对具有不确定性的高超声速飞行器在输入受限情况下的稳定控制问题,基于线性矩阵不等式(LMI)技术提出了一种具有指数收敛速率的控制器设计方法。将飞行器模型中的不确定性视为总和扰动,针对存在不确定性的输入受限系统给出了一种具有指数收敛速度的不变集条件,并利用LMI技术将控制器的设计问题转化为受限系统吸引域的最优化问题。仿真结果表明,在气动参数摄动和控制量存在饱和的情况下,本文设计的指数收敛控制器具有良好的动态特性和鲁棒性。     

虚拟高频采样控制方案及在姿控系统中的应用

提出了一种新的控制方案,即虚拟高频采样控制方案,对其进行了详细的理论分析,并在此方案基础上应用离散域设计方法完成了某飞行器的稳定性分析,进行了半实物仿真试验,结果表明,系统有足够的稳定裕度,各项性能指标满足设计要求.     

绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

系留卫星系统

过去15年中,人们一直在研究用系缆连接两个空间物体的方案,并以此为题目写了许多论文。1983年,美国航宇局(NASA)与意大利国家研究委员会(CNR)的国家空间计划局(PSN)合作,开始从事系留卫星系统(TSS)的方案论证和开发工作。TSS是建在空间运输系统(STS)轨道器上的一种多用途设施,用于部署和回收系留卫星,并使它在轨道上工作。本文叙述正在研制的TSS硬件,提出首次TSS飞行的工作计划,并讨论未来的TSS任务和系留技术的应用。     

微波成像仪伺服控制系统研究

系统采用稀土永磁同步电机作为伺服驱动电机 ,永磁无刷直流电机作为动量平衡电机构成微波成像仪驱动系统。伺服电机驱动采用电流、速度和位置三环控制 ,实现了伺服电机的稳定和高精度的运行。平衡电机驱动采用电流、速度和加速度三环控制 ,保证了平衡电机能够快速、精确地跟踪。系统基于多边形磁链轨迹法的设计思想 ,用作图法求得三相电压型逆变器的开关波形系列 ,硬件以TI公司的电机专用控制芯片TMS32 0F2 4 0DSP为控制核心 ,实现的伺服控制系统不仅具有优良的低速性能 ,而且精度高 ,转矩脉动小     

前景广阔的空间系缆系统

1976年,意大利科学家科隆布预见到重力梯度卫星系统会具有广泛的用途,首先提出了研制空间系缆系统的建议。根据他的建议,美国航宇局与意大利国家空间计划局合作,于1983年开始研制系留卫星系统(TSS)(系留卫星系统的设计与结构情况见本刊1988年第3期)。 空间系缆系统的工作原理是,由系缆连接的两个物体以系缆系统重心的角速度推入轨道。上面一个物体的速度比它不用系缆在同一高度运行时的速度大,该物体承受大于重力的向心力。下面一个物体的情况则与之相     

保护映射理论在火星无人机鲁棒自适应控制的应用

针对具有模型不确定性特点的火星无人机控制问题,本文基于保护映射理论提出一种飞行控制的鲁棒自适应调参数方法,通过建立控制系统未知参数与闭环系统极点间的约束关系,在飞行高度和速度变化的情况下,利用对系统极点的配置,保证火星无人机的稳定飞行要求。此外,设计过程中控制器结构固定,只需给定一个初始增益,即可实现系统的鲁棒自适应调参。仿真研究表明获取的增益能使控制作用满足火星无人机在高度和速度变化情况下的稳定飞行要求。     

导引头隔离度对开关控制制导回路稳定性的影响

为研究导引头隔离度寄生回路对开关控制制导回路稳定性的影响,首先应用回路等价变换原理统一了动力陀螺式和速率陀螺式导引头模型;然后,为分析开关系统稳定性,建立了含有隔离度寄生回路的开关控制制导回路等效Lure’模型;对比得出描述函数法在系统稳定保守性和稳定性趋势预测方面优于Popov稳定性理论和仿真方法,因此提出应用描述函数法对寄生回路稳定性进行分析。分析了在不同飞行器参数和调制器参数下导线和摩擦干扰力矩对寄生回路稳定域的影响。进一步,针对不稳定寄生回路提出了采用滞后校正网络来改善系统稳定性,改善后的制导回路仿真结果表明在外界干扰作用下,回路中不会再出现极限环,避免了脉冲喷管的“正反开”;飞行器机动跟踪目标时,保证制导精度基本不变的情况下,节省了燃料。     

Fractional order tension control for stable and fast tethered satellite retrieval

The retrieval of a tethered satellite system is intrinsically unstable. This paper develops a new control strategy to retrieve the tethered satellite system stably and quickly using the fractional order control theory. The governing equation of the tethered satellite system and classic linear feedback tension control law were first reviewed and examined as a benchmark. Then, a new fractional order tension control law has been to avoid the tethered satellite winds around the main satellite near the end of retrieval by existing integer order tension control laws. The newly proposed control law has been discretized and implemented by the Laplace transform and Tustin operator. Unlike the existing integer order control laws, which are based on the feedback of current state and memoryless, the fractional order control law has the memory of previous states and thus controls the tether retrieval more smoothly while maintaining the retrieving speed. The effectiveness and advantage of the new fractional order tension control law is demonstrated numerically by comparing with its integer order counterpart. The results show that the new control law not only retrieves the subsatellite without winding around the main satellite, but also provides a better control performance with smaller in-plane libration angles.     

Stability of a ring of connected satellites

The motion of a large number of artificial satellites connected in a ring one after another by tethers of variable length is considered. Every satellite is supposed to have a control system programmed according to some tether tension law as a function of the distance between tethered satellites. The effect of the tension control law on the stability of stationary rotation of this ring is investigated. The final stability condition includes two requirements: 1) the nominal tether tension should be less than a definite limit equal, up to numerical coefficient, to one satellite weight divided by the number of satellites; 2) tether tension should decrease (or remain constant) with the increase of the distance between tethered satellites. In dynamics the artificial rings of this kind are much like their natural prototype—meteor rings. On the other hand, the investigation of the artificial rings contributes to developing an unexpected view upon meteor rings, suggesting a model of an imaginary equivalent string.     

绳系卫星的一种新型高阶滑模控制器设计

针对绳系卫星轨道转移控制问题,给出绳系卫星在轨机动模型并将面内运动处理为典型的欠驱动形式;为实现对面内摆角的跟踪控制,定义滑模面并建立积分链系统,设计一种新型高阶滑模系绳张力控制律,得到无抖振控制量,这种控制律在保证高精度跟踪的前提下,有效避免了控制抖振现象;关于滑模面的高阶滑模运动建立后,在平衡点对闭环系统线性化,根据劳斯判据,闭环系统在平衡点是局部渐近稳定的。最后,通过仿真分析,验证了所提出控制算法的有效性。     

TETHERED SATELLITE SYSTEM ANALYSIS (1) — TWO-DIMENSIONAL CASE AND REGULAR DYNAMICS

The study on tethered satellite system (TSS) in two-dimensional in-planar motion is restricted in that the tether is assumed to be massless. The equations of motion are given in a spherical coordinate system to describe the magnitude (tether length) and direction angle of the position vector between the satellites. A length rate control algorithm is adopted, and the controlled motion of the directional angle by the algorithm will have a stable equilibrium state. The equilibrium state is a fixed point if the orbit of the base-satellite is circular, and a limit cycle if the orbit is elliptic. The value and stability of the equilibrium state are determined by the parameters of the control algorithm, and the bifurcation analysis is also given. Two typical TSS missions have been simulated.     

基于Lyapunov最小-最大方法的卫星编队飞行队形保持

提出一种卫星编队飞行队形保持的鲁棒控制方法.将环境摄动、推力误差等因素作为干扰项加到相对动力学方程中.然后对于该不确定系统,采用Lyapunov最小一最大方法设计相应的控制律,在存在干扰的情况下,采用该控制律仍然能保证系统渐近稳定.同时针对经典的Lyapunov最小一最大方法导致的控制颤振问题,进行了改进,证明了改进后的控制律能够实现系统的一致终极有界,同时消除颤振.通过仿真,验证了采用Lyapunov最小-最大方法在系统存在干扰的情况下,比一般控制方法具有更强的鲁棒性.     

含不确定性的绳系卫星姿态的鲁棒最优控制

针对绳长变化的旋转二体绳系卫星姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。首先针对单体绳系卫星姿态模型,在假设模型精确和不存在干扰的条件下,设计基于HamiltonJacobiBellman方程的最优控制器;进一步考虑到实际系统存在参数不确定性和干扰,采用自适应方法和鲁棒误差积分方法隐式学习参数不确定性和有界干扰,与最优控制器结合设计鲁棒最优控制器,并应用Lyapunov稳定性定理证明其闭环系统的渐近稳定性。其次,根据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二体绳系卫星系统,设计二体绳系卫星姿态系统的分布式鲁棒最优控制器。最后在Matlab/Simulink平台上进行仿真验证,结果表明了所设计控制器的可行性与有效性。     

航天飞行器相对运动动力学及其控制方法

采用本地轨道从标系对两邻飞船间相对运动动力学展开研究，指出在相对运动中也存在平衡状态，用相平面方法分析了其稳定性，基于此分析，综合出相对运动控制方法，即距离速率控制方法，受控运动轨迹是一条稳定的稳态直线，进而建立了全方位距离速率控制方法。最后以系绳卫星系统和飞船安全为例完成了计算机模拟。     

绳系卫星系统中的周期运动

在椭圆轨道上飞行的绳系卫星系统的重要特征是系绳的方向角具有周期性运动，称为驻环。不稳定的驻环导致全系统的不稳定性。本文给出系统运动的数学模型、距离速率控制方法、求解驻环的数值迭代算法、驻环的稳定性和吸引域以及控制参数平面上驻环存在的区界和计算机仿真结果     

A heuristic design method for attitude stabilization of magnetic actuated satellites

In this paper a heuristic design strategy for stabilizing the satellite attitude has been proposed. It is assumed that the satellite is actuated by a set of mutually perpendicular magnetic coils. Using well-known Lyapunov direct stability method it is shown that the proposed controller causes to a global asymptotic stable system for all near polar orbits. The design procedure is based on analyzing of the conceptual effects of magnetic coils on the satellite attitude motion. Considering these effects lead to some intuitive results which determine the global stabilizing control law. The performance and robustness of the designed controller against actuators saturation and quantization error have been verified using a real-time-hardware–software in-loop (RTHSIL) simulation results. These results show that the global stability can be achieved although some disturbances and restrictions exist. This stabilizing controller can be simply combined with a linear explicit model predictive controller (EMPC) to achieve a full three-axis control law.     

绳网拖曳带帆板失效卫星的波动控制

针对带有柔性太阳帆板的失效卫星，提出了一种基于波动控制理论的控制方法，同时实现了绳网拖曳过程中稳定碎片姿态与抑制帆板振动两个目标。首先，提出一种新的绳网简化结构，用Kane方法建立了动力学模型，使其能够在保证运算效率的同时具有更高的精度。然后，针对系统特性设计了波动控制策略，仅需要输入系绳张力的大小和方向，便能通过拖船位置的改变来消除失效卫星的自旋和帆板振动。最后，通过数值仿真验证了控制律的有效性。仿真结果表明，在控制律作用下的拖曳过程中，失效卫星的姿态能够快速稳定，同时帆板的振动也得到了良好的抑制。