航天器姿态容错控制技术研究现状与发展

更远、更复杂的人类空间探测任务要求航天器具有更高的可靠性,因此航天器的容错控制技术受到了广泛关注。对航天器姿态系统的容错控制技术发展现状进行了分析,总结了国内外近年来航天器姿态容错控制的成果,重点分析了利用自适应控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等理论开展容错控制的进展,并分别阐述了采用不同技术途径发展容错控制的优缺点。最后,展望了航天器姿态容错控制技术未来的发展。     

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。     

航天器避障交会有限时间滑模控制

针对航天器安全交会过程中的避障问题,提出一种基于有限时间滑模变结构控制与人工势函数相结合的控制方法。首先,对斥力势进行修正使得势函数在期望状态的值为零。其次,基于速度偏差和引力梯度设计滑模面,并考虑障碍物的速度设计控制律。利用Lyapunov稳定性定理分析证明在存在外部干扰情况下,系统能够在有限时间内收敛到期望状态并保持渐近稳定。最后,利用数值仿真来验证所设计的控制律的正确性和有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避动态障碍物,满足安全交会的要求。     

复杂结构充液航天器晃动动力学与姿态稳定性

复杂充液航天器的晃动及其对控制系统的影响是当前空间高技术的重要问题。 本文首先由力学变分原理导出充液复杂系统的方程式,其中包括流体力学方程和相应的边界条件,以及弹性连续介质力学方程;特别是,考虑了强毛细作用力的影响。其次,考查了微重条件下带有隔板的贮箱内的液体晃动、带有网孔隔板腔体内的液体晃动和粘弹性隔板对抑制晃动的作用。另外,本文将分析带有多腔充液自旋卫星的姿态稳定性,以及晃动、液体涡旋、贮箱偏置,能量耗散和哥氏加速度对卫星运动的影响。最后,讨论了多体系统充液挠性空间飞行器的稳定性问题。 同时,本文给出了数值计算结果和某些试验结果,并与理论分析作了对比。     

对失控翻滚目标逼近的神经网络自适应滑模控制

针对失控航天器在空间中自由翻滚的情况，研究追踪器对失控翻滚目标逼近的位置和姿态六自由度耦合控制问题。建立追踪器与目标器相对运动的姿轨一体化动力学模型，设计追踪器逼近过程的标称轨迹和标称姿态。综合考虑系统不确定性和外部干扰，设计无抖振的神经网络自适应滑模控制器。将滑模控制与神经网络逼近相结合，采用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知部分进行自适应逼近。由Lyapunov方法导出神经网络自适应律，通过自适应权重的调节保证整个闭环系统的稳定性。数值模拟实例说明了所设计的标称轨迹和标称姿态的合理性，同时验证了神经网络自适应滑模控制器的有效性。     

空间飞行器基于模糊逻辑的连续滑模控制

针对空间飞行器姿态控制系统的有模型不确定性和外来干扰的特点，通过组合滑模控制和模糊控制，提出了一种新的非线性控制系统设计方法。仿真结果表明本文的模糊滑模控制，不仅具有常规滑模控制的优点，而且克服了常规滑模控制所固有的抖振现象。     

多航天器反步滑模SO(3)协同控制

针对多航天器系统的姿态协同控制问题，基于特殊正交群(Special Orthogonal Group, SO(3))提出了滑模协同控制设计方法。结合有向通信拓扑，建立了多航天器SO(3)姿态模型。在此基础上研究了SO(3)上协同误差形式，提出了适用于协同控制器构造的SO(3)指令设计方法。为了解决姿态奇异问题，根据SO(3)姿态特性引入补偿项并设计了相应的滑模面，进一步采用反步法完成了SO(3)协同控制器设计，同时给出稳定性分析过程。提出的反步滑模方法保证了协同控制器在整个姿态空间内的适用性，使得多航天器系统能够实现稳定的姿态协同。文中采用两组多航天器系统仿真校验了所提协同方法的有效性。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。