采用变惯量飞轮的航天器自适应姿态控制

变惯量飞轮(VIW)是一种新的航天器姿态控制执行机构。它不仅可以通过改变飞轮转速来提供控制力矩,还可以通过改变飞轮的转动惯量来实现这一目的。研究利用VIW的航天器自适应姿态跟踪控制问题。建立了以VIW为姿态控制执行机构的航天器姿态动力学模型,并设计了全局渐近稳定的自适应姿态跟踪控制律。该控制律可在航天器惯量参数未知的情况下准确跟踪给定姿态,并同时估计系统的惯量参数。在VIW的操纵律中,以VIW的转速为权重依据来分配VIW的两种模式的控制力矩,以使VIW的惯量模式输出较大的控制力矩并有效降低飞轮转速。数值仿真结果验证了系统的有效性。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

运载火箭姿态系统自适应神经网络容错控制

针对运载火箭姿态系统跟踪问题,考虑干扰、执行器故障和模型不确定因素的影响,设计了一种基于自适应神经网络的非线性容错控制律。该控制算法结合了连续的终端滑模控制,径向基神经网络和自适应控制方法。首先,基于滑模控制理论,设计了一种快速终端滑模面,保证系统跟踪误差能够在有限时间收敛至零。然后,在终端滑模面基础上,提出了一种基于自适应径向基神经网络估计的终端滑模控制律。利用自适应参数的神经网络逼近系统参数并提高抗干扰性能,采用平滑连续控制策略消除了终端滑模中的颤动现象。通过李雅普诺夫的分析方法证明了闭环系统的收敛性和全局稳定性。采用数值仿真,验证了提出的基于自适应径向基神经网络的终端滑模控制律具有较好的跟踪性能和精度。     

关于主星带伴随分布式小卫星雷达系统的姿态跟踪控制研究

波束指向同步是主星带伴随分布式小卫星雷达系统必须解决的问题之一.主星为补偿多普勒频移而进行的姿态导引会导致地面目标点相对位置漂移,针对这一现象,伴随分布式小卫星应进行姿态控制与主星协同,为保证姿态控制器在外界扰动和参数不确定情况下有效工作,分别设计了自适应姿态机动控制律和姿态跟踪控制律.仿真结果表明,姿态控制器可以有效实现姿态机动和跟踪,控制精度能够满足波束指向同步的要求.     

SO(3)上航天器自适应反步姿态跟踪控制

针对刚体航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种自适应反步控制方法。首先,考虑模型不确定性和外部干扰影响,通过引入一个非负定的势函数来描述姿态跟踪误差,在特殊正交李群SO(3)上建立描述航天器姿态运动的相对动力学方程,所建立的动力学模型有效地避免了用修正罗德里格参数或四元数描述航天器姿态时引起的奇异和退绕等问题;其次,设计的自适应反步控制器可保证闭环控制系统最终一致有界收敛,并用李亚普诺夫理论严格证明了闭环系统的稳定性;此外,设计的自适应控制律可以有效地处理系统总干扰;最后,针对航天器姿态跟踪控制场景进行数值仿真分析。结果表明:与传统PD控制器相比,所设计的控制器可以有效地提高控制性能。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

基于模态观测器的挠性航天器姿态控制

针对带有挠性附件航天器的姿态跟踪问题,提出了基于挠性模态观测器的滑模控制律。采用混合坐标法建立挠性航天器动力学模型,构造挠性模态观测器观测挠性模态位移及其变化率。选择一类滑模面,用Lyapunov方法得出基于挠性模态观测器的滑模控制律,并给出了稳定性证明。分别在变速率姿态跟踪,恒速率姿态跟踪和零速率姿态跟踪的情况下进行了仿真。仿真结果显示,与一般的滑模控制律相比,提出的控制律能够有效提高姿态控制的稳态精度,减小挠性模态振动对姿态控制的影响。     

吸气式高超声速飞行器输入受限自适应反演控制

针对输入受限和气动与推进参数存在不确定时的吸气式高超声速飞行器飞行控制问题,建立了线性参数化形式的纵向运动模型,通过引入控制量与可执行输入之间的差值滤波环节,修正跟踪误差的定义,设计了使闭环系统稳定的反演鲁棒控制器,给出了气动与推进参数向量的有界自适应估计律。轨迹跟踪仿真结果表明,提出的自适应控制方法能够保证阵风干扰情况下飞行器控制的稳定性。     

基于归一化神经网络的航天器自适应姿态跟踪控制

针对以变速控制力矩陀螺（VSCMGs）为姿态控制执行机构的航天器在同时考虑惯性参数和执行机构不确定性情况下的姿态跟踪控制问题,提出了一种基于归一化神经网络的自适应姿态跟踪控制方法。设计一个非线性反馈控制器作为航天器姿态控制的基本控制器,利用归一化神经网络设计补偿控制器,用以在线估计和消除包含系统不确定参数的未知不确定函数的影响,避免了标准自适应控制方法需要进行大量不确定参数估计的缺陷。采用神经网络输入归一化技术,简化了闭环系统复杂的稳定性分析过程。理论分析证明了闭环系统的稳定性和姿态跟踪误差的收敛性。仿真结果表明,所提出的控制方法能满足航天器在惯性参数和执行机构不确定性及外干扰存在情况下的高精度姿态跟踪控制要求。
     

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。     

卫星编队飞行输出反馈姿态协同跟踪控制

针对卫星编队飞行姿态协同跟踪的控制过程中角速度信息不可测及外界常值干扰的问题,提出输出反馈协同控制器的设计方法。首先,利用绝对及相对姿态误差信息设计含有积分项的滤波器,并在控制器中引入滤波器的输出信息;同时,考虑到卫星的模型不确定性,设计自适应估计器以对卫星的转动惯量进行在线估计。此外,论证了当卫星编队的通信拓扑结构满足无向树形结构的条件时,仅对任意一颗卫星期望姿态可知即可使整个系统协同收敛于期望值。设计的控制器无需卫星角速度信息即可使角速度信息协同达到期望值,并且引入积分项使得闭环控制系统对常值干扰有良好抑制效果,同时给出降低系统的信息通信压力的分析。最后将提出的算法应用于无需角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景。     

Inertia-independent generalized dynamic inversion feedback control of spacecraft attitude maneuvers

The generalized dynamic inversion control methodology is applied to the spacecraft attitude trajectory tracking problem. It is shown that the structure of the skew symmetric cross product matrix alleviates the need to include the inertia matrix in the control law. Accordingly, the proposed control law depends solely on attitude and angular velocity measurements, and it neither requires knowledge of the spacecraft's inertia parameters nor it works towards estimating these parameters. A linear time-varying attitude deviation dynamics in the multiplicative error quaternion is inverted for the control variables using the generalized inversion-based Greville formula. The resulting control law is composed of auxiliary and particular parts acting on two orthogonally complement subspaces of the three dimensional Euclidean space. The particular part drives the attitude variables to their desired trajectories. The auxiliary part is affine in a free null-control vector, and is designed by utilizing a semidefinite control Lyapunov function that exploits the geometric structure of the control law to provide closed loop stability. The generalized inversion singularity avoidance is made by augmenting the generalized inverse with an asymptotically stable fast mode that is driven by angular velocity error's norm from reference angular velocity. Asymptotic tracking is achieved for detumbling maneuvers as the stable augmented mode subdues singularity. If the steady state desired quaternion trajectories are time varying, then asymptotic tracking is lost in favor of close ultimately bounded tracking because the stable augmented mode continues to be excited during steady state phase of response. A rest-to-rest slew and a trajectory tracking maneuver examples are provided to illustrate the methodology.     

重复使用运载火箭精确回收滑模动态面控制

针对可重复使用运载火箭一子级再入垂直着陆阶段，利用滑模动态面控制(SMDSC)技术设计了一个精确垂直回收控制策略。首先考虑运载火箭的燃料消耗、质心变化及转动惯量摄动等特点，建立运载火箭一子级返回段动力学模型。然后针对范数有界的不确定性和有界连续的未知干扰，设计一个滑模状态观测器和一个自适应参数估计器用于获得其估计值；随后，基于获得的状态估计值和未知参数估计值，设计了一个基于自适应动态面技术的跟踪控制律。最后，通过数值仿真，对比两种不同控制策略下的运载火箭垂直返回姿态角跟踪能力。结果表明，采用本文提出的自适应滑模动态面控制策略具有更好的跟踪效果.     

航天器姿态控制的一种自适应方法

针对航天器转动惯量参数未知恒定或缓慢时变,以及外部扰动力矩未知恒定或缓慢时变,基于非线性系统的无源性理论,给出了姿态控制的一种自适应方法.事先不需要不确定性的任何信息,控制过程中可根据自适应律给出其估值.理论分析和数值仿真都表明,该方法在保证参数估计误差有界的同时实现航天器对姿态角指令的快速无静差跟踪.     

基于跟踪微分器的姿控喷管故障检测

针对航天飞行器姿控喷管故障的检测问题，提出了一种基于跟踪微分器(TD)的故障检测方法。该方法在考虑测量噪声、安装误差、转动惯量误差、姿控喷管特性、质心偏移等因素的基础上，设计了带低通滤波器的跟踪微分器，用来估计姿控喷管的输出力矩，并根据上述对象的实际偏差设计了无故障时估计力矩随指令力矩变化的力矩包络，即在无故障时估计力矩不会超出包络，通过检测估计力矩是否超出包络来判断是否发生故障。通过数学仿真，表明该方法能有效检测航天飞行器姿控喷管的故障，检测成功率高并且几乎没有误检。     

基于变惯量反作用飞轮的小卫星大角度姿态机动控制研究

研究以变惯量反作用飞轮作为执行机构的小卫星的大角度姿态机动控制问题。变惯量反作用飞轮是一种新型的动量交换装置,不仅可以通过改变飞轮转速输出力矩,还可以通过改变其转动惯量实现大范围的力矩输出。文中建立了带有变惯量反作用飞轮的星体姿态动力学方程,设计了姿态控制律和飞轮的操纵律。仿真结果表明,与一般反作用飞轮相比,当小卫星大角度机动时变惯量飞轮的转速更不容易饱和,且力矩的输出范围变宽,可以同时满足小卫星高精度稳定和快速大角度姿态机动的双重要求。     

图像信息反馈的目标航天器跟踪控制方法

定义目标航天器图像形心与像平面中心为跟踪误差,并将该像平面误差直接引入跟踪控制闭环,提出一种增益切换的目标航天器跟踪PD控制律,在由推力器开关控制特性定义开关函数的基础上,给出PD控制器增益切换策略。由于直接使用目标航天器在像平面中的视觉特征误差量,避免了视觉相机内参数标定和目标航天器位姿信息求解等过程,简化了服务航天器的系统配置,同时控制器增益切换实现对测量误差、推力器偏差、转动惯量偏差以及干扰力矩等多种不确定性因素进行补偿,提高了跟踪控制系统稳定性及抗干扰性能。最后,基于Lyapunov稳定性理论给出控制器参数估算方法,并理论分析了增益切换PD控制律的收敛性,数学仿真表明该控制律能够对复杂机动目标以及考虑多种不确定性因素等情况进行快速跟踪,校验了视觉跟踪控制策略的有效性及对多类型不确定性的鲁棒性。     

帆板转动时卫星姿态的非线性控制

当帆板转动时，卫星姿态因系统质量特性的改变和帆板驱动力矩的作用而发生扰动，本文采用一种具有鲁棒性的非线性控制方法，实现了高精度的卫星姿态控制。     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况，基于反步法思想，设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律，同时，该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外，还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真，结果表明了该控制律的有效性。