利用飞轮的航天器姿态跟踪与能量存储

研究航天器集成能量与姿态控制系统中飞轮的控制律。系统中飞轮是姿态控制的执行机构,同时也是储能装置。首先利用Lyapunov方法设计了航天器姿态跟踪的反馈控制律,然后研究一种力矩形式的飞轮控制律。利用奇异值分解方法把飞轮组的控制力矩向量分解为3部分相互正交的力矩向量,一部分用来提供姿态控制力矩,一部分用来以给定的功率储能,另一部分完成轮速平衡以避免由于各飞轮轮速差异过大引起的飞轮饱和。提出了一种基于动能反馈的储能功率规划方案来保证系统的能量平衡,可以避免由于过剩能量引起的飞轮饱和。数值仿真结果验证了控制方案的有效性。     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

涵道风扇无人机增稳控制律设计与仿真

针对小型涵道风扇无人机本体不稳定特性,设计增稳控制律并通过仿真进行了验证。利用软件CATIA建立三维模型,并制作出实体模型。对模型进行受力分析,建立涵道风扇无人机六自由度动力学模型。在所建模型基础上,设计增稳控制律,包括姿态控制律及轨迹控制律。建立非线性仿真模型,通过Matlab／Simulink仿真对所设计的控制律有效性进行了验证。仿真结果表明,所设计的控制律达到了增加涵道风扇无人机稳定性的目的。     

无人机机动轨迹跟踪系统设计

对无人机机动飞行轨迹跟踪系统的内环姿态控制律和外环轨迹跟踪控制律两部分分别进行了设计。利用非线性动态逆方法设计了内环姿态控制律。外环轨迹跟踪控制律采用逆动力学前馈加模糊反馈的控制结构,提高系统对飞行条件及期望轨迹剧烈变化时的跟踪精度。仿真结果表明,所设计的系统能够控制无人机精确跟踪指定的机动轨迹,且相对于固定增益系统具有更好的鲁棒性。     

三轴轮控航天器姿态大角度机动控制器设计

研究了飞轮作为执行机构的航天器姿态大角度机动问题。建立了飞轮控制的姿态动力学模型;基于Lya-punov稳定性定理,设计了闭环控制器并给出了参数自适应律的解析表达式;分析了有界噪声作用下该模型的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。     

多气囊平流层浮空器动力学建模及控制

针对多气囊平流层浮空器的建模和控制问题,建立其浮空器动力学模型并设计了一种积分变结构控制律.首先,全面分析平流层浮空器所受力和力矩,利用牛顿力学方法建立非线性动力学模型,并分析多气囊运动所带来的和普通浮空器建模之间的区别；然后,基于积分变结构控制方法设计俯仰通道姿态控制律,并应用Lyapunov函数方法证明其稳定性；最后考虑舵偏限幅和限速率以及参数拉偏,进行数字仿真,分析比较了加入积分项前后的控制效果.仿真结果表明,设计的控制律具有较强的鲁棒性,浮空器也具有良好的动态特性.     

四元数在伴随卫星姿态控制中的应用

针对传统的欧拉角方法不适用于航天器大幅度姿态机动运动的数值仿真。研究了用四元 空间站伴随卫星的姿态控制问题。介绍了空间站伴随卫星的概念及任务;根据航天器动力学方程,利用李雅普诺夫直接法推导出用四元数表示的空间站伴随卫星姿态控制律,并对该控制律进行了仿真计算,仿真结果表明,所推导的控制律能对空间站伴随卫星进行准确、快速的姿态控制。     

显模型跟踪控制技术在舰载无人直升机姿态控制中的应用

采用基于模型逆的显模型跟踪控制方法,借鉴ADS-33要求设计了舰载无人直升机俯仰姿态控制律,并进行了仿真验证,较好地解决了舰载无人直升机姿态控制的难题。     

大气层内导弹姿态控制方法研究

本文以大气层内导弹为研究对象,对导弹的姿态控制方法进行研究.根据大气层内导弹运动方程组及空气动力方程等得出导弹的姿态控制系统数学模型.由于导弹的姿态控制数学模型是强耦合、非线性的,因而在控制器设计之前,采用小扰动理论进行线性化处理,得到俯仰、偏航、滚转三个通道的传递函数.针对特征点,采用PD控制方法分别设计三通道的控制律,在此基础上,进一步设计了基于增益调度的PD控制规律.仿真结果表明,提出的姿态控制方法可以实现大气层内导弹的姿态控制,满足指标要求.     

基于闭环准则的LQG/LTR飞行控制律优化设计

针对LQG/LTR飞行控制律设计中加权矩阵的选取问题,提出了一种基于闭环准则的LQG/LTR飞行控制律优化设计方法。以俯仰姿态控制律优化设计为例,首先基于闭环准则选取了满足一级飞行品质要求的参考模型,并基于该参考模型使用粒子群优化算法优化得到了两个加权矩阵,从而得到了卡尔曼滤波器和相应的目标反馈回路。进而借鉴飞机等效系统拟配的方法,优化得到了另两个加权矩阵,从而得到了LQG最优控制器,完成了回路传递恢复的优化设计。仿真结果表明,通过该方法能够快速自动地选取合适的加权矩阵,使得优化设计的LQG/LTR飞行控制律较好地满足了俯仰姿态控制的要求。     

Integrated power and attitude control with two flywheels

Energy storage and attitude control are two distinct subsystems of the typical satellite. Energy storage is provided using batteries and active attitude control is accomplished with control moment gyroscopes or reaction wheels. A system mass savings can be achieved if these two subsystems are combined using multiple flywheels for simultaneous kinetic energy storage and momentum transfer. This paper develops, simulates, and experimentally demonstrates the control algorithms to accomplish integrated power and single-axis attitude control using two flywheels.     

敏捷卫星的联合执行机构控制策略

 针对对地观测敏捷卫星大角度快速机动、高控制精度的任务需求,提出了联合推力器与飞轮作为执行机构的控制策略。该控制策略综合利用2种执行机构的优点:推力器以前馈的形式提供机动过程中所需的主要力矩以实现航天器大角度的快速机动,而飞轮以反馈的形式提供精准的控制力矩以提高机动过程中的姿态控制精度。为补偿由于初始状态偏差和推力器输出力矩不准确所带来的控制误差,采用变结构控制设计了2种姿态跟踪控制器,使航天器能够渐进地跟踪上参考轨迹。并对姿态机动控制过程中,飞轮力矩及转速可能出现的饱和问题作了相应的修正。仿真结果表明了所提控制策略及所设计控制算法的可行性和有效性。     

A novel two-stage extended Kalman filter algorithm for reaction flywheels fault estimation

This paper investigates the problem of two-stage extended Kalman filter(TSEKF)-based fault estimation for reaction flywheels in satellite attitude control systems(ACSs). Firstly, based on the separate-bias principle, a satellite ACSs with actuator fault is transformed into an augmented nonlinear discrete stochastic model; then, a novel TSEKF is suggested such that it can simultaneously estimate satellite attitude information and actuator faults no matter they are additive or multiplicative; finally, the proposed approach is respectively applied to estimating bias faults and loss of effectiveness for reaction flywheels in satellite ACSs, and simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed fault estimation approach.     

考虑输入饱和的两飞轮驱动航天器视线轴控制

 研究了非零初始整星角动量下两飞轮驱动航天器姿态机动控制问题,针对在两飞轮旋转轴平面外某一视线轴的指向控制,给出了目标姿态生成算法和一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。首先,通过对两飞轮驱动航天器静止时的可行姿态进行分析,给出了视线轴指向目标方向的必要条件。然后,基于该条件得到了使视线轴与目标方向偏差最小的目标姿态。最后,对状态方程进行降维和线性化处理,设计了一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。仿真结果展示了本文算法的可行性和有效性。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

Attitude Control Considering Variable Input Saturation Limit for a Spacecraft Equipped with Flywheels

A new attitude controller is proposed for spacecraft whose actuator has variable input saturation limit. There are three identical flywheels orthogonally mounted on board. Each rotor is driven by a brushless DC motor (BLDCM). Models of spacecraft attitude dynamics and flywheel rotor driving motor electromechanics are discussed in detail. The controller design is similar to saturation limit linear assignment. An auxiliary parameter and a boundary coefficient are imported into the controller to guarantee system stability and improve control performance. A time-varying and state-dependent flywheel output torque saturation limit model is established. Stability of the closed-loop control system and asymptotic convergence of system states are proved via Lyapunov methods and LaSalle invariance principle. Boundedness of the auxiliary parameter ensures that the control objective can be achieved, while the boundary parameter’s value makes a balance between system control performance and flywheel utilization efficiency. Compared with existing controllers, the newly developed controller with variable torque saturation limit can bring smoother control and faster system response. Numerical simulations validate the effectiveness of the controller.     

飞轮被动减振卫星动力学建模及稳定性研究

为提高卫星的指向精度和稳定度,通常在飞轮系统中设计了被动减振器。而对于有敏捷机动要求的卫星,被动减振器的低刚度设计可能会破坏姿态控制系统的动态性能和稳定性。因此,针对飞轮减振情况,建立了卫星刚柔姿态动力学方程,用来准确分析卫星敏捷机动时的动态性能、稳定性问题以及飞轮扰动对卫星稳定度的影响。仿真结果表明,不合适的隔振器刚度设计将会影响指向的动态性能和稳定性,甚至诱发姿控系统失稳。     

Nonsaturating Satellite Open-Loop Feedback Controls

The dynamics of a zero-momentum three-axis attitude controlled satellite is used to formulate an optimal control problem, which is then solved for the special case where the flywheels operate in a nonsaturating mode. The results then serve as guidelines in the design of simple open-loop and feedback controllers.     

直升机内回路姿态模糊控制

 主要研究了直升机内回路的姿态控制技术, 将专家知识和训练数据相结合产生直升机的内回路模糊姿态控制器。由于模糊控制所固有的特点, 以及直升机的飞行状态多变, 模糊姿态控制器无法对直升机进行精确控制, 提出了利用另一个在线自适应模糊系统来补偿控制误差的方法。自适应模糊控制器的自适应学习算法通过李亚普诺夫稳定性分析得到, 从而也保证了整个系统的稳定性。仿真算例证明了本方法的有效性。关键词: 直升机; 姿态控制; 模糊控制; 自适应控制; 仿真