固体捆绑火箭姿控系统建模与设计研究

针对固体捆绑火箭复杂空间模态对姿控系统的影响问题,推导建立了新的姿态动力学模型,分析了弹性振动对三通道姿态运动的影响并采用逆Nyquist阵列法进行了姿控系统设计。首先建立了新的固体捆绑火箭姿态动力学模型,模型中基于有限元法导出了弹性振动方程,这是与传统模型最主要的区别。然后针对弹性振动引起的三通道姿态运动间耦合问题,分析了耦合的强弱,采用逆Nyquist阵列法设计了控制器。最后通过时域仿真验证了方法的可行性。结果表明,虽然结构上捆绑火箭芯级和助推之间纵、横、扭耦合比较明显,但引起的三通道间耦合却比较弱,被控模型在设计频段内具有明显的对角优势性质。采用逆Nyquist阵列法设计的控制器是可行的,仿真结果满足工程要求。     

运载火箭姿控系统数学仿真软件设计

分析了运载火箭姿控系统箭体动力学运动方程和控制器数学模型特点，并且按照校正网络、执行机构、箭体方程、测量方程顺序设计数学仿真软件。该软件能方便地完成姿控系统数学仿真任务。由于采用三级模块结构设计，该软件具有结构清晰、层次分明、调试简单、功能齐全、使用方便等明显优点。     

四元数反馈控制技术研究

弹道导弹、运载火箭在飞行过程中经常会出现三通道大范围调姿的情况,如果用传统的姿态角控制方案,当3个欧拉角中的第2个欧拉角出现过90°的情况时,欧拉角计算出现奇异.本文针对采用捷联惯性测量组合作为敏感器件的弹道导弹、运载火箭提出了四元数控制方案,即采用初始四元数q0袁征初始姿态、终端四元数q1表征终端姿态,实时计算调姿程序四元数qcx以及姿控系统控制量四元数△q(k)的方法,可避免姿态角计算奇异问题,且姿态过程优化.数学仿真证明了该方案的正确性和可行性.     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

三轴稳定遥感卫星姿控系统故障情况下的系统重构

论述三轴对地稳定遥感卫星姿控系统中部分轮子或部分陀螺故障情况下的姿控系统重构。文中论述了只在俯仰通道有一偏置动量轮正常工作，而滚动和偏航通道轮子故障条件下的系统重构。另外还论述了偏航陀螺故障，姿控系统其它部件正常情况下，控制系统采用Whecon原理与PIM控制相结合的设计。以上两种系统重构拟用于实际系统中，经过数学仿真验证，姿控系统在故障情况下能够完成基本任务。     

基于扩张状态观测器的小型固体火箭控制系统设计与验证

以自研小型固体火箭为对象，基于扩张状态观测器，对三通道姿态控制器进行了设计及验证。建立了以攻角、侧滑角和滚转角为控制目标的积分链状态空间模型；结合扩张状态观测器，应用极点配置法对三通道姿态控制器进行了鲁棒设计；通过数值仿真和半实物仿真，结合拉偏分析，对控制器设计进行校核，证明了设计的有效性和鲁棒性；通过飞行试验验证了控制器性能，跟踪结果符合仿真分析，基本无延时、无静差，证明了该方法的可行性和工程应用价值。     

弹道导弹的自适应模糊滑模控制研究

对弹道导弹的三通道非线性模型进行了分析,为了实现三通道的解耦设计,简化控制系统结构,将通道间的耦合项和干扰项看作是单个通道的不确定项,从而将非线性模型转化为一种解耦形式.在此基础上,采用自适应模糊滑模控制方法设计了弹道导弹的推力矢量控制系统.自适应模糊滑模控制方法利用自适应模糊控制器来调节滑模控制参数,对不确定项的边界进行估计和补偿,保证了系统的跟踪误差指数地收敛到零.仿真结果表明了该控制方法的有效性.     

基于非线性干扰观测器的临近空间拦截弹姿态控制

为满足临近空间拦截弹在大干扰强耦合情况下高精度姿态控制问题,设计了基于非线性干扰观测器的自适应鲁棒反演控制器。建立了基于直接力控制的拦截弹三通道姿态控制系统模型;采用二阶滑模微分器,估计计算反演控制中虚拟控制量的导数,解决了"微分膨胀"的问题;为提高姿控系统控制精度,对模型的未知信息和外界干扰做高精度的估计和补偿,依据二阶跟踪微分器,设计了一种新型非线性干扰观测器;并采用PSR调制器将连续控制量离散化,通过姿控发动机实现变推力控制。数字仿真结果显示,设计的姿态控制器跟踪速度快、精度高,对系统不确定和干扰具有强鲁棒性。     

基于UKF的微小卫星姿态确定方法研究

围绕某日-地空间环境组网探测系统中三轴稳定微小卫星定姿分系统的设计需求,基于陀螺、太阳敏感器、磁强计和星敏感器4种敏感器,研究了微小卫星在速率阻尼模式、太阳捕获模式、对日对地定向及维持模式、试验模式下的系统建模方法,以及基于Unscented卡尔曼滤波(UKF)的组合定姿方法。数值仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中三轴稳定微小卫星在轨运行的定姿精度要求,为该微小卫星半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

BTT导弹的三通道驾驶仪频带匹配关系研究

针对BTT导弹滚转角速度较大,俯仰和偏航通道具有强耦合、非线性的飞行控制特点,基于合理假设,通过线性化策略解耦得到相互独立的三通道弹体动力学模型,采用三通道独立设计的思想完成导弹三通道驾驶仪的设计。在此基础上,得到了三通道驾驶仪的闭环阶跃响应、开环系统幅相裕度以及导弹飞行参量的变化曲线,讨论了三通道控制系统响应快速性及频带匹配关系。根据仿真结果,得到了BTT导弹在满足滚转通道稳定性的前提下,尽量提高其频带,保持俯仰和偏航通道响应速度的一致性有利于消除通道间的耦合,增强BTT导弹的协调转弯能力。     

姿控系统数学仿真CAD软件研究

介绍姿控系统数学仿真CAD软件SMARTMODEL的设计实现和关键技术 ;利用SMARTMODEL软件进行姿控系统建模的方法和步骤以及使用情况和应用前景     

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。     

用单框架控制力矩陀螺的大型航天器姿态控制系统实物仿真研究

利用三轴气浮台模拟航天器空间力学环境，进行了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)姿态控制／动量管理系统全实物仿真研究。推导了大型航天器姿态控制／动量管理系统数学模型。设计调试了实物仿真系统。研究了单框架控制力矩陀螺奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题。证明了系统构形分析、奇异性分析和操纵律设计的正确性和有效性。通过大型航天器姿态控制／动量管理系统实物仿真，检验了设计方案的可行性和系统硬、软件的可靠性。     

卫星控制系统多转台多模拟器半物理仿真方法

卫星控制系统半物理仿真是在实验室中模拟卫星在轨道上运动特性的一种试验方法 ,它通常用于验证卫星控制系统方案和性能指标。卫星控制系统半物理仿真包括将硬件接入路的卫星动力学仿真和运动学仿真。仿真计算机计算卫星的动力学和运动学方程 ;转台模拟卫星在空间的运动 ;目标模拟器用来模拟作为卫星姿态敏感器的参考目标 (太阳、地球和恒星等 )的环境特性。为了将控制系统硬件接入试验路 ,必须适当地处理一系列的关键技术。卫星控制系统多转台多模拟器半物理仿真方法适用于带有多种敏感器的复杂卫星仿真。     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

桁架自适应结构振动控制仿真实验研究

基于MATLAB/dSPACE综合仿真实验环境 ,在有限元结构分析的基础上 ,在MATLAB/Simulink中进行桁架自适应结构的数学模型搭建和控制方案设计仿真 ,由dSPACE软硬件系统实现自适应结构的主动元件驱动和传感器数据采集 ,从而实现半实物仿真。实验表明基于MATLAB/dSPACE综合实验环境桁架振动受到很好的抑制 ,证明MATLAB/dSPACE试验环境高效简洁 ,控制方法行之有效     

数字滤波在运载火箭速率陀螺冗余设计中的应用

首先介绍了某运载火箭姿态控制系统中的速率陀螺冗余方案,并描述了仿真试验中出现的速率陀螺故障累计次数偏多,可能造成故障误判,导致系统发散的问题.然后根据各惯性器件的测量方程和冗余判据,通过公式推导,分析出造成了基准信号与速率陀螺信号之间有差别的主要原因是:惯性器件的安装位置不同,敏感到箭体的局部弹性不同.平台安装处的振型斜率大于2个速率陀螺安装处的振型斜率,提出利用数字滤波技术,对基准信号中的弹性分量进行滤波和平滑处理,降低平台微分信号中的弹性分量,分离出对冗余判据有利的基准信号,解决了故障累计次数过多的问题.最后通过数学仿真实例,表明该方法的有效性.     

基于分块反步设计的飞行器姿态稳定鲁棒控制

采用分块反步设计思想,结合输入状态稳定性理论,获得了一种具有鲁棒性能的 飞行器姿态稳定控制方案。该方案可自然地处理姿态耦合问题,实现半全局姿态稳定控制, 并对外部扰动具有鲁棒性,可直接应用在燃气动力的情况。对某空间飞行器的姿态控制系统 进行了数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。