非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法

临近空间飞行器在稀-稠大气过渡阶段且反推力矢量装置(Reaction Control System, RCS)有剩余燃料的情况下,RCS对于非冗余舵面的故障补偿与在线重构具有重要意义。基于此,本文研究了针对非冗余舵面与RCS复合故障的自愈控制方法,以实现飞行器的安全可靠控制。首先,建立了执行机构故障等不确定影响下的姿态控制模型;其次,针对舵面故障给出了基于残差观测的故障检测与自诊断方法,设计了RCS与舵面复合故障的分离诊断策略;然后,基于非线性比例-微分控制及故障诊断信息,设计了舵面故障补偿的自愈控制器;同时,基于RCS故障喷管序列判定,设计了复合故障下RCS在线重构的自愈控制器。最后,通过某典型全弹道姿态跟踪数值仿真,验证了该方法的有效性及可靠性。     

基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究

针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题，提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时，所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先，利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能，建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后，对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整，对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后，对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明，对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器，提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制，也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。     

一种闭环冗余系统可重构控制方法

提出一种闭环冗余系统在线可重构控制方法,包括控制器、控制分配和故障诊断.在故障诊断算法中,首先采用有向图方法快速确定可能的故障源.对于难以隔离的故障,提出了一种在线故障定位方法.故障定位后,通过控制分配,重新分配控制律.以航天器冗余动量轮系统的故障重构为例,说明了如何在系统级角度在线定位故障,重构系统.最后,给出了冗余动量轮卫星姿态调节过程中故障重构的仿真算例.     

导弹增量式自适应容错控制系统设计

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。      

多操纵面飞机综合重构飞行控制方法

为提高飞机飞行安全性能,将被动重构控制与主动重构控制相结合,提出了一种综合重构飞行控制系统设计方法.采用轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.针对多操纵面飞机,提出面向故障的操纵面管理概念,通过基排序最优控制分配方法以基底的形式对操纵面进行重新组合,并按照期望控制目标进行排序,实现在操纵面故障下的控制重构.仿真结果表明,该控制系统能有效处理各种典型操纵面故障,在操纵面发生故障时仍能快速跟踪控制指令,保证较好的飞行性能.     

基于启发式算法的可重构性指标分配

串联有约束条件下的可重构性指标分配问题,针对考虑部件故障的系统给出了可重构度的概念和计算方法,并论证了其合理性.结合最优冗余分配理论和可重构度定义给出了可重构度最大化的冗余分配模型,在此基础上提出了基于启发式算法的可重构性指标分配方法,该方法可解决约束条件内资源优化配置问题,并得到系统最大可重构度的解.直接寻查法作为以往具有代表性的最优冗余分配方法,用作系统可重构性指标分配仿真,与所提方法作比较,结果显示基于启发式算法的可重构性指标分配方法较前者有更高的有效性.     

挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制

针对带有分布式压电陶瓷执行机构的挠性航天器姿态机动与主动振动控制问题,提出了一种退步直接自适应一体化控制方法.首先,建立了挠性航天器姿态机动与主动振动控制的模型,并分析了动力学子系统的近似严格正实性;然后,采用退步直接自适应控制方法,设计了挠性航天器的姿态机动主动振动控制器,并证明了控制闭环系统的稳定性;最后,进行了不同仿真条件下的数学仿真验证.理论分析与数学仿真结果表明,该控制方法不依赖航天器参数,对系统参数不确定性具有强鲁棒性,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.     

基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题，提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先，采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数，并引入事件触发机制，在执行器故障下实现容错控制的同时，节约星载计算机的计算资源。然后，基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定，并能有效避免Zeno现象，保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后，应用于航天器的姿态稳定试验，仿真结果验证了该方法的有效性。     

一类质心突变飞行器的姿态控制律重构设计

研究了一类质心突变飞行器姿态控制系统在发生故障时的一种控制律重构方法。采用以Unscented卡尔曼滤波为基本估计单元且用输出残差为故障诊断指标的交互式多模型算法实时地对飞行器故障情况进行检测与诊断。当诊断出故障时,重构控制律的参数对系统进行补偿控制,使得故障下飞行器的姿态跟踪精度得以维持。通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于区域平均燃料消耗的推力器配置问题

摘要： 为实现精准的交会对接需要同时进行相对位置与相对姿态的六自由度控制.在控制指令一定的情况下,不同的推力器配置以及不同的控制分配算法会带来不同的推进剂消耗.实际任务中,可以从时间和空间上对控制指令进行划分,即控制指令在一段时间内集中在一定的空间区域内.本文提出发动机配置区域平均燃料消耗的度量指标,针对三维和六维控制任务给出区域平均燃料消耗的计算方法,进而提出对推力器配置阵的优化思路,对于完善控制指令分配和推力器配置设计与优化有重要的意义.     

基于序列二次规划的推力矢量控制分配方法

  针对使用推力矢量控制的航天器,建立了游动发动机的数学模型,在分析了游动发动机摆角约束的基础上,提出了推力矢量控制分配问题。将该控制分配问题转化成以力矩误差最小和对变轨推力影响最小作为优化目标的多目标优化问题,引入序列二次规划进行求解,得到一种新的控制分配方法。仿真结果表明,该方法能够准确实现期望目标,验证了所提出的控制分配方法的可行性和有效性。     

面向控制的仿鸽扑翼机纵向动力学建模与分析

鸽子飞行时常采用变频率和变振幅模式来操控翅膀扑动与扭转以达到高效飞行的目的。为了给研究扑翼机控制和分配算法提供通用的设计验证平台,建立包含3个控制输入自由度的仿鸽扑翼机动力学模型,并开展开闭环模型有效性验证。考虑机翼运动惯性力和力矩,基于Kane方程建立仿鸽扑翼机的纵向多刚体非线性模型。选择升降舵偏转角、机翼扑动角振幅和机翼扭转角振幅作为控制输入,定义机翼定周期扑动的操纵机制,估算面向控制模型所需的气动导数和操纵导数,建立面向控制的仿鸽扑翼机线性时变周期系统模型。基于Floquet理论对线性时变周期系统模型进行动稳定性分析,结果与开环时域仿真一致。从闭环角度对模型有效性和适应性进行验证,仿真表明,所建模型能有效反映仿鸽扑翼机时变周期动力学特性,并能支撑控制分配方法的设计研究。      

航天器集群控制与规划算法仿真验证平台设计

航天器集群作为一种新兴的多航天器协同模式,已经成为分布式空间系统的一个重要研究课题。很多关于航天器集群的关键技术需要在地面进行仿真、分析和验证。针对上述需求,设计了一种仿真验证平台,在地面实现了对航天器智能集群导航、规划与控制算法的全物理分析和验证。首先,给出了仿真验证平台的几种位姿识别方案,重点分析了一种基于单目相机的全局位姿识别技术,提出了一种基于气浮技术的航天器集群控制与规划算法仿真验证平台的总体设计方案,并定义了集群的运动场行为函数,设计了基于滑模控制的路径规划算法。最后,通过仿真验证了本方法的可行性和有效性。     

蒸发液滴空间实验研究的图像反馈控制系统

提出了一种利用图像反馈控制系统测量液滴蒸发速率的方法.该系统主要由图像采集、图像处理、反馈控制三个部分组成.其工作原理是对CCD采集到的液滴图像进行分析,得到液滴的物性参数,利用控制注液器动态注入来维持液滴的大小,由此得到单位时间内的注入量,即液滴蒸发速率.或通过对液滴图像几何尺寸的计算,得到单位时间内液滴的变化量,进而得到液滴的蒸发速率.为了从动态变化的图像中准确找到液滴的轮廓,简单介绍了基于拉普拉斯方程,运用牛顿法和龙格库塔法等数值方法,对图像轮廓进行拟合的算法理论.以拟合得到的液滴轮廓为基础,利用数值积分计算液滴的表面积和体积,从而由体积的变化量确定蒸发速率.介绍了图像反馈控制系统的软件结构和硬件结构.并给出了利用其进行液滴蒸发测量得到的实验结果.该系统是为我国SJ-10返回式卫星上蒸发与流体界面效应空间实验研究项目专门开发的.      

鲁棒最优控制在随动系统中的应用

考虑随动系统的特点,针对被控对象本身可能出现的参数摄动和外部干扰,提出了一种鲁棒最优控制方法.这种方法建立在一种改进的控制结构基础上,综合了鲁棒控制和最优控制的优点加以实现.通过对某随动系统的设计举例给出了方法的实现过程.仿真结果表明,这种方法既可以满足随动系统的跟随特性,又能够有效地抑制干扰,降低系统对参数摄动的敏感程度.这种方法的精度较高、鲁棒性强,具有实用性.     

组合体航天器姿态的智能自适应控制方法

研究了交会对接后组合体航天器构型变化带来的姿态控制问题,对执行机构在控制量受限时的控制能力进行了分析,应用基于特征模型的智能自适应控制方法,设计了能适用于不同构型的姿态控制器,分别对组合体在直线构型和L构型对接情况下进行了数学仿真,仿真结果验证了智能自适应控制方法可行并且具有一定的优越性。     

基于双目视觉的非合作目标逼近控制系统设计与仿真

主要研究空间非合作目标近距离逼近过程的控制系统设计与仿真问题.针对采用双目视觉敏感器实现对非合作目标的观测情况,提出一种考虑成像误差的目标位置矢量计算方法,有效保证目标位置解算的可行性.在主星视线坐标系下,分别考虑逼近过程的最大相对速度约束、控制推力和力矩约束,设计了基于非线性项解耦的递阶饱和PID形式的近距离逼近位置控制律和姿态控制律,并在逼近过程中设置停泊点以确保与目标无碰撞.最后对典型航天器非合作目标抓捕任务进行了数学仿真,仿真结果表明所提出的方法可在满足各种约束的情况下有效实现任意方向的空间非合作目标的抓捕任务.     

基于预设性能控制的超紧密航天器编队防避撞协同控制

研究了考虑具有外界干扰和防避撞约束的近地轨道超紧密航天器构型控制问题,将反步控制技术、预设性能控制相结合,提出了一种基于预设性能鲁棒控制的六自由度编队协同鲁棒控制方法。首先,给出了近地轨道完整的编队航天器相对位置和相对姿态非线性动力学方程,并根据状态约束条件转换了相对位置动力学模型。其次,设计了预设性能函数,通过误差转换,建立系统等效误差模型,基于反步法设计了预设性能鲁棒控制器,进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在MATLAB/Simulink平台上进行了仿真验证,结果表明了方法的有效性。