基于神经网络干扰观测器的柔性航天器姿态稳定控制

本文针对柔性航天器在惯性参数未知、外界干扰、输入饱和等复杂条件下的姿态控制问题,提出了1种基于神经网络干扰观测器的柔性航天器姿态稳定控制方法。首先,基于包含压电振动抑制输入的柔性航天器姿态动力学模型,构建了包含外界干扰、惯性参数不确定性的综合扰动项;其次,基于RBF神经网络设计干扰观测器与自适应参数调节律实时地估计综合扰动;再次,设计了1种固定时间收敛且有限时间稳定的非线性滑模控制器,并通过Lyapunov理论进行了稳定性分析;最后,利用航天器闭环姿态动力学系统进行数值仿真。结果表明:所设计的基于神经网络干扰观测器的控制方法可以有效实现航天器的姿态稳定、振动抑制与干扰估计,从而顺利完成航天器的高精高稳控制任务。     

控制输入饱和的挠性航天器姿态机动智能鲁棒控制

针对挠性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将自适应变结构和智能控制相结合的智能鲁棒控制方法。首先,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,针对挠性模态不可测的特点,给出了仅利用输出信息的智能自适应变结构输出反馈控制器的设计方法,其中利用神经网络控制来补偿执行机构饱和非线性和采用自适应控制技术克服确定不确定性的界的困难,并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及系统的稳定性。最后,将该方法应用于挠性航天器的姿态机动控制,在反作用飞轮存在饱和特性约束的情况下,完成姿态机动的同时,可有效地抑制挠性附件的振动。
     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

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。     

约束陀螺柔性体执行机构优化配置和主动振动控制

研究了约束陀螺柔性体上执行机构的优化配置和主动振动控制,通过对带有变速控制力矩陀螺的单陀螺柔性体的模型简化,得到了线性化的约束陀螺柔性体的动力学模型。提出一种约束陀螺柔性体执行机构优化配置的新方法,该方法直接基于振动响应和振动能量对陀螺执行机构进行配置。优化配置的目标函数为线性二次型最优控制的最优值。将优化配置问题转化为整数组合优化问题,使用遗传算法(GAs)求解给定数目执行机构优化配置的组合问题。研究了执行机构在不同安装方向下的优化配置情况,优化配置的构型用于陀螺柔性体的主动振动控制。数值仿真校验了优化配置方法及结果的可行性和有效性。     

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。
     

复杂挠性航天器转动惯量在线辨识算法研究

针对复杂航天器的质量特性辨识问题,将复杂挠性航天器作为研究对象,以控制力矩陀螺为执行机构,提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的一种复杂航天器转动惯量矩阵的辨识方法。辨识过程中,考虑柔性附件振动对航天器姿态的影响,设计动态滑模闭环控制策略使航天器姿态稳定在期望的位置范围内,快速辨识出航天器的转动惯量矩阵。仿真结果表明:设计的辨识方法收敛速度快,主惯量的辨识误差小于2%。     

柔性航天器姿控执行机构微振动集中隔离与分散隔离对比研究

姿控执行机构高速旋转诱发的微振动会降低柔性航天器姿态稳定度。为实现高稳指向,文章研究了姿控执行机构的集中隔振与分散隔振技术。首先建立包含隔振器的柔性航天器姿态动力学模型;然后仿真研究航天器在作大角度机动和稳定控制两种工况下,姿控执行机构的两种隔振方案的性能,并进行了对比分析。研究结果表明:航天器进行大角度机动时,对于高刚度隔振器,两种隔振均具有稳定性,并且指向控制性能相似;对于低刚度隔振器,集中隔振较分散隔振容易失稳;在稳定控制工况下,对于高刚度隔振器和低刚度隔振器,两种隔振性能基本一致。     

连续力矩作用下的柔性航天器再定向与振动抑制

研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题，执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型，建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号，设计了一种ＰＤ控制律。该控制律可以用于对任意目标姿态的再定向而形式保持不变。用Ｌｙａｐｕｎｏｖ方法证明了姿态的渐进稳定性和模态振动和衰减性。非线性闭环系统的仿真结果验证了所设计控制律不仅能够使航天     

挠性航天器旋转机动的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器旋转机动的控制问题。考虑刚性主体上带有挠性粱的航天器，并假定它在一平面内作旋转运动。本文针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation

This paper presents a dual-stage control system design method for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensors/actuators. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using lower order model. The design of attitude controller was based on variable-structure control (VSC) theory leading to a discontinuous control law. To accomplish asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and be insensitive to the interaction of elastic modes in the presence of unknown disturbances/uncertainty and input saturation as well, a switching mechanism is employed to design the attitude controller such that outside the sliding region VSC law with a time-varying sliding surface is implemented and inside the region the VSC law with a linear sliding surface is activated. Furthermore, a hyperbolic tangent function in conjunction with a sharpness function permitted to vary with time according to a set of user-defined parameters is implemented to offset the disadvantages of existing saturation-respecting controller and chattering. In addition, for actively damping the excited elastic vibrations during attitude maneuvering, modal velocity feedback and strain rate feedback control design methods are presented and compared by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. Numerical simulations are performed to show that rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque, parameter uncertainty and control saturation nonlinearity.     

Command shaping for a flexible satellite platform controlled by advanced fly-wheels systems

In this paper we consider the coupling between the flexibility of a spacecraft equipped with variable speed control moment Gyros and its attitude control system, in the framework of command shaping techniques. The analysis is performed on the set of equation of motion written in an explicit form describing a flexible platform and N wheels gimballed to it. The attitude control system is designed upon a Lyapunov based feedback relying upon a rigid body model. Whenever the structure is not stiff enough, flexibility degrades the performances of the controller that fails to track the desired history. We therefore study the possibility of altering the tracking signal fed to the controller trying to get rid of the relevant frequencies notch filtering them in order to reduce vibrations. The results obtained for a test case attitude acquisition maneuver are presented and the benefit deriving from the command shaping technique evaluated and discussed.     

二维系统一般模型的正实控制

本文研究的是二维系统一般模型的正实控制。本文的目的是针对该模型,设计一个状态反馈控制器,使得闭环系统是稳定的并且闭环传递函数是延展严格正实的,所得到的解是通过线性矩阵不等式给出,通过解决该线性矩阵不等式可获得期待的状态反馈控制器。最后,我们提供了一个数值算例来验证提到方法的有效性。     

旋转导弹等效合力在线自适应补偿方法研究

针对旋转导弹舵系统在偏转过程中出现的相位滞后和幅值畸变，给出了一种在线自适应补偿方法。介绍了旋转导弹的控制原理，并对其等效合力畸变的机理进行分析，同时对传统的补偿手段在工程实际中遇到的问题展开说明。在此基础上提出了一种不基于精确模型的等效合力自适应补偿方法，该方法利用输入信号和实际输出之间的偏差形成闭环反馈，通过合适的补偿算法实现对等效合力大小和方向的准确补偿。最后通过数字仿真对比分析，检验了该方法的有效性。     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动，为此，建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型，并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析，并根据动力学的相似性，建立地面模拟实验系统，仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

飞行器控制的伪线性系统方法——第二部分：方法与展望

针对第一部分提出的六类典型飞行器控制问题的共性伪线性系统模型，介绍了二阶伪线性系统的直接参数化设计方法：通过设计伪线性状态反馈控制律，可使闭环系统化为一个具有指定特征结构的二阶线性定常系统，并提供了控制系统设计中的所有自由度。另外，还以希望的闭环向量结构要求、闭环系统的干扰抑制要求和最小闭环特征值灵敏度要求为例，展示了通过综合优化设计自由度来实现控制系统的多目标设计思想。最后展望了伪线性系统理论的发展前景。     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

Parameters design of vibration isolation platform for control moment gyroscopes

Vibration isolation is a direct and effective approach to improve the ultra-precise pointing capability of a high resolution remote sensing satellite. In this paper, a passive multi-strut vibration isolation platform for the control moment gyroscopes in a pyramid configuration on a satellite is adopted and the parameter design of this platform is discussed. The first step constructs a whole satellite dynamic model including the control moment gyroscopes and the vibration isolation platform with Newton–Euler method, while the analytical control moment gyroscopes disturbance model is derived. The transmissibility matrix of the vibration isolation platform is then obtained, and the frequency domain characteristics of the platform are described, with its influence on the attitude control system analyzed. The third part presents the parameter design method of the vibration isolation platform based on the frequency domain characteristics mentioned above. The stiffness and damping coefficients of this platform are subsequently selected with the above mentioned method. Finally, using these parameters, the performance of the vibration isolation platform on the satellite is testified by integrated simulations. The study shows that parameters of this platform selected based on this method not only satisfy the requirement of vibration isolation but also guarantee that the closed-loop attitude control system remains sufficiently stable.     

柔性空间结构高阶有限元模型与主动振动控制研究

应用压电材料实现大型柔性空间结构的振动控制引起了广泛关注。针对上下表面粘贴压电层的复合层梁结构，采用高阶位移场模型，利用线性热压电本构关系和Hamilton原理导出了层梁结构的高阶有限元模型。电势和温度沿厚度方向的分布均采用线性模型。采用常增益速度负反馈控制、Lyapunov反馈控制和基于独立模态的线性二次型调节器（LQR）设计主动控制器，实现了层梁结构脉冲激励和热载荷作用下的振动主动控制。仿真结果表明，LQR方法更能有效的实现结构振动控制，其振动衰减时间较短，作动器峰值电压更低，但不能消除热载荷引起的结构静变形。     

基于特征模型的挠性悬臂板控制

针对航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件 ,存在环境扰动下所引起的振动 ,本文采用压电智能结构作为执行器对悬臂板进行主动振动控制。基于板系统的特征建模 ,并结合自适应控制对挠性板的主动控制进行了研究。通过仿真研究结果与应变律反馈控制比较 ,表明该方法的有效性