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。     

卫星姿态跟踪系统的鲁棒控制器设计

研究了具有参数不确定性和外部干扰的卫星姿态跟踪控制问题。针对这一类多输入／多输出不确定非线性系统，提出了一个基于不确定项上界的鲁棒输出跟踪控制器设计方法。应用输入／输出反馈线性化法和李亚普诺夫方法，设计了一个控制律，它可确保系统输出按指数规律跟踪期望输出。该控制器计算简单，易于实现。仿真结果表明：即使系统存在不确定性，仍可在闭环系统中实现精确的姿态控制。     

中继卫星H∞姿态稳定控制研究

 主要研究中继卫星H_∞回路成形姿态稳定控制问题。中继卫星具有弱阻尼的柔性模态频率和晃动模态频率,并且模态频率具有不确定性,同时系统增益也存在有较大的变化。首先利用拉格朗日方程建立了该卫星的动力学方程,描述了系统存在的结构不确定性,然后设计了H_∞回路成形控制器。在设计过程中,首先提出了控制系统所需要满足的鲁棒稳定性和鲁棒性能指标;随后利用H_∞回路成形理论设计了卫星的姿态稳定控制器,利用ν间隔度量方法对所设计的控制器进行了降阶处理,并且对所设计的控制器进行了鲁棒稳定性和鲁棒性能分析;最后通过数学仿真证明了所设计的控制器的有效性。     

民用飞机鲁棒飞行控制器的设计

针对民用飞机同时存在模型参数变化和外界干扰这两种不确定性,采用基于混合灵敏度的鲁棒控制方法进行控制器的设计。仿真表明,闭环系统不仅对模型的参数变化具有鲁棒稳定性,而且对外界干扰具有很强的抑制能力。系统的动态性能得到了很大的改善。     

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。     

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。     

基于结构奇异值理论的压电柔性结构振动鲁棒控制

基于结构奇异值μ理论,针对含压电作动器和传感器的柔性结构,提出了不确定性振动控制系统的一般分析框架和鲁棒控制器设计方法.考虑了结构的模态参数不确定性和高阶未建模动态,通过引入适当的虚拟输入、输出和相应的加权函数分离出系统的不确定部分,建立适合于鲁棒μ控制器设计的增广系统,用D_K迭代算法求解控制器,以使闭环系统同时满足鲁棒稳定性和鲁棒性能要求.以含一个压电作动器和传感器的悬臂梁为例设计了鲁棒控制器,仿真结果表明对结构振动具有很好的抑制效果.     

飞机纵向非线性系统的鲁棒输出跟踪控制器设计

研究了单输入单输出非线性不确定系统的鲁棒输出跟踪控制。在标称系统可输入/输出线性化、不确定性项有界且满足广义匹配条件的情况下,可得到系统的高增益鲁棒输出跟踪控制器。鲁棒控制器仅依赖于设计参数和不确定性的界。将该方法应用于飞机纵向高阶非线性动态的控制器设计,并进行了数字仿真。结果表明了该方法的有效性。     

基于神经网络的MIMO非线性最小相位系统鲁棒自适应控制

 针对一类模型未知的具有不确定性和外部干扰的多输入多输出（MIMO）非线性最小相位系统提出了鲁棒自适应输出反馈跟踪控制方案。用高斯径向基函数（RBF）神经网络逼近对象未知非线性,用高增益观测器估计系统不可测量状态。所设计的鲁棒自适应控制器不仅能使闭环系统稳定,所有状态有界,而且跟踪误差一致最终有界,并保证最终边界足够小。仿真结果表明了所提出方法的有效性。     

加速度计组合件高精度两级鲁棒温度控制

 将存在多个工作环境的加速度计组合件两级温度控制系统的受控对象描述为存在有界干扰和非线性不确定性(包括系统的建模误差和两个控制通道间的相互耦合)的两输入两输出非线性时变不确定系统,提出了一种基于信号补偿的鲁棒温度控制方法。该方法设计的控制器由标称控制器和鲁棒补偿器组成。此控制器为线性定常的,易于物理实现。证明了闭环系统的鲁棒控制特性,实验结果显示所设计的控制系统能够在多个工作环境下实现加速度计组合件内部和外部的高精度鲁棒温度控制。     

Decentralized attitude synchronization tracking control for multiple spacecraft under directed communication topology

This paper studies the attitude synchronization tracking control of spacecraft formation flying with a directed communication topology and presents three different controllers. By introducing a novel error variable associated with rotation matrix, a decentralized attitude synchronization controller, which could obtain almost global asymptotical stability of the closed-loop system, is developed. Then, considering model uncertainties and unknown external disturbances, we propose a robust adaptive attitude synchronization controller by designing adaptive laws to estimate the unknown parameters. After that, the third controller is proposed by extending this method to the case of time-varying communication delays via Lyapunov–Krasovskii analysis. The distinctive feature of this work is to address attitude coordinated control with model uncertainties, unknown disturbances and time-varying delays in a decentralized framework, with a strongly connected directed information flow. It is shown that tracking and synchronization of an arbitrary desired attitude can be achieved when the stability condition is satisfied. Simulation results are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

Decoupled ultimate boundedness control of systems and largeaircraft maneuver

The robust trajectory control of a class of nonlinear systems which can be decoupled by state-variable feedback is considered. It is assumed that the system matrices are unknown but bounded. A nonlinear control law is derived so that the tracking error in the closed-loop system is uniformly bounded and tends to a certain small neighborhood of the origin. The error dynamics are asymptotically decoupled in an approximate sense. The controller includes a reference trajectory generator and uses the integral feedback of the tracking error. On the basis of this result, a flight control system is designed for the control of roll angle, angle of attack, and sideslip in rapid, nonlinear maneuvers of aircraft. Simulation results are presented to show that large, simultaneous lateral and longitudinal maneuvers can be performed in spite of the uncertainty in the stability derivatives     

挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性,并设计了具有理想控制性能的参考模型;然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律,使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出;最后退一步,对具有参数不确定特性的动力学子系统,基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方法能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的。     

Adaptive robust cubature Kalman filtering for satellite attitude estimation

This paper is concerned with the adaptive robust cubature Kalman filtering problem for the case that the dynamics model error and the measurement model error exist simultaneously in the satellite attitude estimation system. By using Hubel-based robust filtering methodology to correct the measurement covariance formulation of cubature Kalman filter, the proposed filtering algorithm could effectively suppress the measurement model error. To further enhance this effect and reduce the impact of the dynamics model error, two different adaptively robust filtering algorithms, one with the optimal adaptive factor based on the estimated covariance matrix of the predicted residuals and the other with multiple fading factors based on strong tracking algorithm, are developed and applied for the satellite attitude estimation. The quaternion is employed to represent the global attitude parameter, and three-dimensional generalized Rodrigues parameters are introduced to define the local attitude error. A multiplicative quaternion error is derived from the local attitude error to maintain quaternion normalization constraint in the filter. Simulation results indicate that the proposed novel algorithm could exhibit higher accuracy and faster convergence compared with the multiplicative extended Kalman filter, the unscented quaternion estimator, and the adaptive robust unscented Kalman filter.     

刚体航天器姿态跟踪系统的自适应积分滑模控制

 采用自适应滑模控制(ASMC)技术进行姿态跟踪系统设计时,切换增益的整定不需要外部干扰及惯量阵不确定性的上界信息。但现有自适应滑模控制方法存在过度适应问题,产生的切换增益远大于控制所需值。为解决该问题,在自适应滑模控制框架内开展了刚体航天器姿态跟踪控制研究。首先对切换增益自适应机制进行分析,揭示了造成过度适应问题的原因。然后利用积分滑模控制的全局滑模特点,消除了初始跟踪误差对自适应过程的影响,提出了一种自适应积分滑模姿态跟踪控制方法。理论分析和仿真结果表明该方法能够有效减小切换增益。     

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。     

相对失控翻滚目标悬停的自适应模糊滑模控制

研究了含有系统不确定性和外部干扰的追踪器相对失控翻滚目标悬停的六自由度耦合控制问题。首先，在追踪器本体坐标系中建立了非线性的六自由度耦合的一体化动力学模型，将悬停控制问题转化为相对位置和相对姿态控制问题。再基于模糊逼近原理设计了一种自适应的模糊滑模控制器，该控制器能够有效克服系统的模型不确定性和外部干扰的影响，并能消除传统的抖振问题。由Lyapunov方法导出了模糊自适应律并证明了闭环系统的稳定性。数值仿真验证了所提的自适应模糊滑模控制器的有效性。     

基于有向图的航天器编队飞行自适应姿态协同控制

在有向通信拓扑下研究了编队航天器自适应姿态协同控制问题。针对航天器编队飞行系统中存在外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含相对姿态误差和绝对姿态误差的辅助变量,提出了一种鲁棒自适应控制策略。提出了自适应律估计转动惯量矩阵和扰动上界等未知参数,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。最后通过仿真验证了该控制策略能够实现高精度的编队飞行跟踪控制。     

Adaptive controller design for satellite attached by non-cooperative object

When non-cooperative body attachment occurs in space, the inertia of the new combination and the change of the system’s momentum are unknown. This uncertainty may lead to the instability of the spacecraft’s attitude control. In order to solve this problem, we propose an adaptive control scheme based on the inertia estimation of the new, combined system of non-cooperative body and satellite. This method can allow the new combination of different situations to reach a stable state with a high level of precision and speed. In this paper, the stability of the adaptive control scheme is proven by constructing a Lyapunov function. A simulation environment in which a non-cooperative body attaches to a satellite attaches to is constructed. The simulation shows that the attitude error converges to a small field when using the control scheme, regardless of unfavorable cases, including unknown inertia parameters, added momentum. In addition, the simulation results show the strong robustness of the control scheme for the new combination.     

机械手的神经网络自适应滑动模控制器设计

 针对多关节机械手的鲁棒跟随控制器设计问题，提出了一种新的机械手神经网络自适应滑动模控制器设计方法，机械手的动力学非线性假设是完全未知的。在提出的控制结构中，高斯径向基函数神经网络用于在线补偿机械手的动力学非线性，参数学习律由稳定性理论得到。给出了系统稳定性和参数收敛性的证明。最后提出方法的可行性通过仿真得到验证。