多体卫星地面物理仿真的一致性研究

三轴气浮台不能直接用于多体卫星的地面物理仿真实验,这是由于部件转动引起台体 的质心变化,进而产生重力静不平衡力矩,使仿真过程无法进行,因此需要质心补偿系统对 气浮台的重力静不平衡力矩进行补偿。本文通过对多体卫星动力学和气浮台动力学的比较, 分析了在重力场中的地面物理仿真系统与真实卫星的动力学特性的不同点,给出地面物理仿 真系统能完全模拟真实卫星运动的一致性条件,并进行了数学仿真。当转动附件的质心在转 动轴或转动中心上时,气浮台系统可以完全模拟卫星系统的质量特性和力学耦合特性,否则 ,多体气浮台系统和多体卫星系统的动力学耦合特性不完全一致,需要采取一定的方法进行 补偿。
     

带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型研究

对带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型建立进行了研究。用混合坐标法建立带挠性附件的卫星的动力学方程,对挠性体的高阶模态作截断处理以简化模型。用小角度近似获得了以姿态角表示的刚体卫星线性化姿态动力学方程,给出了卫星姿态动力学方程状态空间方程,将卫星的挠性附件振动耦合作用作为一种外部干扰力矩叠加到线性方程中,建立了完整的带挠性附件三轴卫星姿态动力学方程的状态空间模型。以某带单翼太阳电池板的卫星作为算例,设计了基于状态空间模型的控制器,结果表明基于状态空间模型设计的高阶线性控制器能对具非线性时变特性的卫星进行有效控制,对帆板等挠性附件的振动有主动抑制功能。     

有大型挠性附件的卫星姿态线性鲁棒控制器设计研究

针对有大型挠性附件的卫星高精度高稳定度姿态控制问题,提出了一种基于H_2/H_∞混合控制理论的控制器设计方法。为尽量减少控制器变量的影响以提高其性能,选择刚体卫星模型建立了控制模型,卫星三轴姿态解耦,基于H_∞方法分别设计了三轴控制器。引入三个输出量,考虑三者间关系,设计相应的加权系数,所得H_∞控制器在数学仿真中有较佳的控制效果。考虑实际工程中源于控制周期和执行机构非线性的大幅值高频干扰等因素,用两种方法进行改进:一是设计H_2/H_∞混合控制,抑制噪声的影响,减小输出力矩的振荡;另一是在控制器的速率输入端添加滤波器,防止转速飞轮的高频干扰力矩激发控制器或整个系统的振动。设计的控制器以被动振动抑制方法为基础,考虑现有星上单机的技术条件及速率闭环飞轮的输出特性,通过选择合适的性能输出和反馈信息,在较低的闭环控制系统带宽下实现了大型挠性卫星的高精度高稳定度姿态控制。由数学仿真给出了设计的控制器及其性能,仿真和半物理试验结果均表明设计的H_2/H_∞混合控制器的控制精度、稳定度和挠性振动抑制效果均明显优于传统比例积分微分(PID)控制器。     

带挠性附件航天器的鲁棒姿态跟踪控制

首先在时域上估计了挠性附件的振动对航天器姿态的影响力矩的界函数.该界函数的得到一方面无需知道附件参数的精确值,只需要知道参数的界限,另一方面仅利用了角速度和已知的振动控制信号,非常适用于无需模态坐标反馈的非线性姿态控制器设计.然后把它用于带挠性附件航天器的姿态跟踪控制,所得控制器具有如下优良特性:(1)对系统参数不确定性鲁棒;(2)不需要模态坐标反馈,也不需要模态观测器;(3)能抑制一般的外干扰;(4)能与多种附件振动控制器相结合.数值仿真验证了控制器的有效性.     

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。     

六自由度气浮台及其姿态平台自动平衡系统设计

针对卫星交会对接中相对姿态和位置的控制问题,设计一种6自由度（DOF）气浮台,并推导出描述两个气浮台模拟卫星交会对接运动的耦合6自由度(DOF)动力学模型。为解决气浮台模拟空间失重环境中的重力力矩干扰问题,设计一种基于应用新颖的快速非奇异终端滑模面的自适应有限时间控制器的自动平衡系统,估计出质心位置,通过控制三个平衡质量块补偿姿态平台质心与旋转中心之间的位置偏差。李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,该方法可以快速完成对姿态平台质心位置的准确估计,实现质心与旋转中心的高度重合。     

大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术

利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真,可模拟卫星在轨运行时的动力学特性,验证整星在轨状态下的姿控特性和相机成像特性等。高精度辨识气浮台转动惯量和综合干扰力矩为三轴气浮台质量特性调整及量化评估整星级试验性能提供重要参数。文章提出一种新的大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩联合辨识技术,通过台上飞轮对三轴施加激励作用,利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体惯量矩阵和干扰力矩的高精度联合辨识。与传统辨识方法不同,该技术仅利用本体角速度信息,不需要角加速度信息,避免了角速度微分引起的噪声放大,将转动惯量辨识相对误差控制在3.5%以内,气浮系统综合干扰力矩优于0.003 N·m,满足了高精度参数辨识需求。     

小卫星动量轮非线性特性建模与仿真方法

动量轮是三轴稳定卫星姿态控制的关键执行部件。由于小卫星本身的转动惯量较小，微弱的干扰力矩有可能导致整个卫星控制系统性能下降。因此，建立一个基于动量轮实际物理特性的理论仿真模型对小卫星姿态控制系统设计至关重要。本文提出了一种多输入多输出非线性建模方法，并给出了基于SIMULINK的动量轮物理特性仿真模型。该模型可以同时输出动量轮所有特征参数的实时值。最后，通过开环和闭环控制数值仿真，对模型进行了验证。数值实验结果与实际物理部件的测试结果一致。本方法可以为小卫星姿控系统的仿真提供一个有效的、精确的、可以直接应用的部件级模型。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

受扰挠性卫星角动量反馈控制

将动量轮角的动量测量信息引入反馈控制系统,给出角动量反馈控制器的具体形式,证明了挠性卫星闭环系统稳定性,并分析控制系统对周期性干扰的抑制特性以及系统稳态精度,最后给出数学仿真结果.     

空间光电跟踪系统闭环全物理仿真试验技术

为验证空间光电跟踪系统与卫星平台耦合作用下的跟踪性能,提出空间光电跟踪系统全物理仿真试验方法。利用三轴气浮台模拟卫星零重力下的自由转动,在地面实现了非合作目标闭环跟踪控制和空间动力学特性的综合模拟。采用基于整星姿态动力学的重力干扰力矩辨识方法,消除转动部件重力干扰对试验的影响,实现对系统跟踪脱靶量的精确评估。试验结果表明,空间光电跟踪系统针对非合作目标的跟踪脱靶量优于0.006°（3σ）,满足系统在轨应用需求。但在对高速目标跟踪过程中,跟踪脱靶量存在一定的相位滞后,控制方案需进一步优化。     

一种用于挠性卫星姿态控制的改进模糊控制器

将模糊控制理论用于有大型挠性附件三轴稳定卫星的姿态控制，设计了一种常规模糊控制器。为减小常规模糊控制的稳态误差，采用模糊控制插值法和多次修正法改进模糊化处理，并运用因子动态加权，对所设计的模糊控制器进行了改进。仿真结果表明，采用改进模糊控制方案的系统响应快，稳态精度高，并保持了较强的鲁棒性，控制效果较为理想。     

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.     

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。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

永磁同步电机驱动太阳翼扰动力矩建模与仿真

建立太阳翼驱动机构(SADA)永磁同步电机的电磁方程，并利用固定界面模态综合法建立SADA驱动太阳翼耦合系统的振动方程；设计模拟柔性负载，对SADA驱动该柔性负载的扰振力矩进行仿真分析。结果表明，SADA驱动柔性负载运行过程中所产生扰振力矩主要由两个原因引起：1)电流噪声引起的力矩波动；2)控制参数选取不当引起的转角波动。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.