基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

随机扰动情况下绳系卫星状态保持阶段的最优控制

在考虑系绳弹性的情况下, 建立绳系卫星轨道面内运动的动力学模型, 并在系统平衡位置线性化, 得到绳系子星在随机扰动作用下的稳态保持状态方程. 引入基于卡尔曼滤波的状态估计方法和最优状态反馈控制策略, 提出了保持系统稳态运行的控制方法, 并以YES2空间系绳试验为参考模型设计了稳态保持控制系统. 分别在不考虑系绳弹性和考虑系绳弹性的系统模型下进行相应仿真分析, 结果表明所提出的控制方法能使系统具有良好的抗干扰性能, 系绳控制张力变化平缓且幅值小, 提高了系统状态保持阶段的可靠性和安全性. 同时系绳刚度系数的减小可使系绳纵向振动加剧, 但对横向摆动影响较小, 这为选取合适的系绳材料提供了理论参考.      

基于里兹法的绳系卫星动力学仿真

同时考虑系绳质量、弹性、形变等因素的绳系卫星系统动力学仿真是复杂的非线性偏微分方程求解问题.为便于构造连续型模态函数,采用了基于牛顿定理及广义胡克定律建立的绳系卫星系统动力学模型.基于里兹法将位移函数构造为模态函数与待求系数的线性组合,进而将原本复杂的非线性偏微分方程转化为较常见的非线性常微分方程.仿真算例基于绳系系统从稳定平衡位置及面外角5.自由展开来进行,数值仿真印证了绳系系统的基本动力学特性,同时发现系绳自由展开及摆动过程中有微弱弯曲现象且计算效率不够高.     

论绳系卫星系统的运动中心

讨论了稳定状态下绳系系统运动中心及相关的力学与应用问题。绳系系统运动中心与系统质心不重合。确定了运动中心在系绳上的位置,并从运动中心概念出发,导出系绳拉力的表示式,阐述了系绳拉力偏差对摆动频率计算的影响。     

绳系卫星渐近稳定释放与回收策略

文章研究椭圆轨道下绳系卫星的稳定释放与回收控制问题。首先基于Lyapunov稳定性理论,获得椭圆轨道下系绳释放和回收的速率控制律及稳定性条件,然后提出一套能使系绳沿期望俯仰角进行渐近稳定释放和回收控制的方法。指出存在一个轨道区间,可以实现对通常不稳定的回收过程进行稳定回收,进而提出分区间和分段回收策略以优化回收控制效果。最后,通过数值模拟对所提出的控制律、稳定条件及控制策略进行验证。     

二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20 m×30 m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。     

空间微重力组合体及其控制

空间微重力组合体是绳系卫星系统的升级版,有更强大的功能和应用前景。可是在无控状态下,新旧两款系统的留位（系绳伸出长度不变）和回收（系绳回卷收缩）运动都不稳定,必须置入有效的控制算法才能使其稳定运行。从绳系卫星的简化动力学模型入手,抓住微重力和动态运动中的惯性力相互关系,推导出基础型和扩展型的距离速率控制算法,简明有效地抑制这些系统的不稳定运动和改进空间组合体在轨交会对接控制技术。该算法也可应用于有分布质量和弹性变形的连续系绳的动力学模型以及其他更复杂的绳系卫星（家族）系统的控制中。     

基于退步控制方法的绳系卫星回收张力控制

利用退步控制方法研究了绳系卫星系统TSS(Tethered Satellite System)的平面内回收控制问题,提出了一种新的张力控制律.该控制律设计由两步组成:首先利用退步控制将摆角稳定到目标值,然后通过设计摆角的目标值实现系绳的回收和回收速度的控制.控制率设计了分段连续的目标角度方案和延时环节,可以使TSS回收过程各状态量变化平滑.数值仿真结果表明,该控制律在圆轨道、近圆轨道和大偏心率的椭圆轨道都有很好的控制效果.     

基于矩阵分解的空间系绳系统不完全反馈控制

针对利用空间系绳系统（STS）进行面内捕获过程中系绳展开后状态保持阶段及捕获完成后系统面内运动抑制等问题,在面内角和面内角速率信号丢失情况下,基于矩阵分解采用不完全状态反馈控制方法,设计出能够抑制系绳展开完成后所出现的非标称行为、捕获后面内摆动的张力控制律,进而使系统回稳。将所设计的控制律与线性二次调节器（LQR）+降维观测器方法对比,在参数不确定的条件下检验该控制律的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制律在超调量和调节时间上优于LQR+降维观测器方法,能够有效控制系绳的展开误差及捕获过程所带来的面内扰动。所设计的控制律结构简单,控制效果良好,且设计过程无需参数调整。      

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态，为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响，本文建立了一种简单的平面哑铃模型，将系绳视作有阻尼的弹簧，两个卫星视作刚体，考虑重力梯度力矩。通过仿真，发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

Coordinated control of tethered space robot using mobile tether attachment point in approaching phase

Tethered space robots (TSRs) have wide applications in future on-orbit service owing to its flexibility and great workspace. However, the control problem is quite complex and difficult in the phase of approaching target, and the fuel consumption must also be taken into account. Hence, we present a novel scheme of achieving coordinated orbit and attitude control simultaneously for the TSR. Space tether, which can provide greater force compared with the thruster force, is used in the design of the orbit and attitude coordinated controller. A coordinated control mechanism is designed to provide attitude control torques of the pitch and yaw motions by adjusting the position of the mobile tether attachment point, while the roll motion is stabilized by the thruster. In order to guarantee this mechanism to work properly, constant tether tension strategies are utilized to plan an optimal approaching trajectory which is tracked by the coordinated controller of tether force and thruster force. Numerical simulation validates the feasibility of our proposed coordinated control scheme for TSR in the approaching phase. Furthermore, fuel consumption of the orbit and attitude control are both significantly reduced compared with traditional thruster control.     

高超声速飞行器滑行航迹优化

针对高超声速飞行器滑行的密度模型、动力学模型、空气动力模型和作为输入的攻角,将弹道问题转化为最优控制问题,采用极大值原理求得航程最大的一阶必要条件,采用多次变区间的遗传算法、非线性单纯形法和邻近极值法的组合优化策略来求解此两点边值问题,首先用多次变区间的遗传算法和单纯形方法求得全局航程最大,然后用邻近极值法得到合适的初值满足所有终端约束,通过对一高超声速飞行器的算例进行了优化计算,得到了最优弹道和优化算法的收敛曲线,并与升阻比最大飞行方案进行比较可知,最优控制方案求得的航程大于升阻比最大飞行方案的航程.      

基于后推技术的绳驱动拟人肩关节动力学控制

针对并联式绳驱动机器人建模困难、控制复杂等问题,采用拉格朗日动力学建模方法,推导得到便于控制器设计的标准动力学方程,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.针对机器人轨迹跟踪控制问题,设计了基于后推技术的系统模型控制律.仿真结果表明:后推技术法在收敛速度方面明显优于计算力矩法,且各绳索的驱动力皆能满足其张紧所需的最小张力.     

基于自适应迭代的机器人曲面恒力跟踪

针对利用机器人进行打磨、抛光、去毛刺等场合时末端执行器对曲面工件轮廓跟踪时难以得到恒定接触力的问题,对机器人末端执行器和工件轮廓接触时的接触力进行研究,建立了实际跟踪过程中机器人末端执行器的接触力和已知传感器坐标系的映射关系,提出了一种基于自适应迭代学习算法的机器人力/位混合曲面恒力跟踪控制方法。该方法由两部分组成:基于机器人和环境接触时的阻抗模型设计了迭代学习控制律,在PD反馈控制的基础上通过迭代项克服机器人的未知参数和不确定性,并构建Lyapunov能量函数证明所提控制律的收敛性;将迭代学习控制律和力/位混合曲面恒力跟踪控制方法结合起来设计了用于曲面工件轮廓跟踪的控制方法。实验结果显示,经过15次迭代,接触力的波动范围逐渐变小并稳定在±3 N之内,验证了所提方法的有效性。      

考虑壁板单向压紧制孔瞬时回弹的压紧力优化

飞机大部件对接自动化制孔采用蒙皮侧单向压紧制孔技术，而由于在常见的自动化制孔系统中叠层材料被钻透的瞬间产生瞬时回弹，对制孔设备和加工质量等方面造成严重的影响，针对该问题进行机身蒙皮侧制孔压紧力优化分析。通过有限元分析方法进行制孔过程的模拟仿真，根据不同环境下的回弹现象，确定压紧力优化分析方案，综合考虑接触间隙、瞬时回弹和制孔刚性的影响，进行多目标优化分析，从而得到最优的压紧力工艺参数。计算结果表明，在飞机常见框间对接段自动化钻孔中，采用轴向力为150 N的麻花钻时压紧力的最优解为314.54 N，采用轴向力为100 N的自动化一体钻时压紧力的最优解为362.73 N。通过现场试验，压紧力最优解满足生产要求，实际最优压紧力低于最优解不超过20 N，因此考虑不同加工环境等因素构建合理的工艺参数选定范围。      

基于一次性微冲量推力器阵列的卫星低频 振动抑制与控制

为了解决挠性卫星受扰后的主动振动控制问题,提出将一次性微冲量推力器阵列（DMITA）作为控制执行器安装在卫星太阳帆板上,其具有体积小、成本低、功耗低的特点.介绍一次性微冲量推力器主动振动控制系统（DMITAVCS）的初步应用方案,用混合坐标法推导装有DMITAVCS的挠性卫星姿态动力学方程,并给出能量最优的DMITA位置配置准则.数值仿真结果表明DMITAVCS能够快速抑制挠性卫星受扰后姿态和帆板的振动,主要得益于安装在帆板上的一次性微冲量推力器阵列（DMITA）能够产生较大的姿态驱动力臂.     

Robust optimal sliding mode control for the deployment of Coulomb spacecraft formation flying

Inter-spacecraft electrostatic force (Coulomb force) is desirable for close formation flying control because of its propellant-less and free contaminate characteristics attributed to the propellant exhaust emission. This paper presents robust optimal sliding mode control to deal with the problem of thruster saturation in tracking the formation trajectory for Coulomb spacecraft formation flying. The robust controller design is based on optimal control theory as a linear quadratic system, and it is augmented with an integral sliding mode control technique. The stability of the closed-loop system is guaranteed using the second Lyapunov method. The developed controller outperforms the existing ones, because it has a higher degree of fine-tuning to cope with the uncertainty. Numerical simulations are employed to confirm the efficiency of the developed controller.     

Optimal spacecraft rendezvous using the combination of aerodynamic force and Lorentz force

This paper presents a propellantless spacecraft rendezvous method by using the optimal combination of aerodynamic force and Lorentz force. Aerodynamic force is provided by the rotations of the plates attached to the spacecraft, and Lorentz force is achieved by modulating spacecraft's electrostatic charge. Considering the limitation of the charging level of the spacecraft and physical constraints of the plates system, an optimal open-loop rendezvous trajectory is designed, which aims to minimize the energy consumed to actuate the hybrid system. The rotation rates of the plates and the electrostatic charge are constrained in the optimization problem, which is solved via the Gauss pseudospectral method. To track the open-loop trajectory in the presence of external perturbations, a novel adaptive nonsingular terminal sliding mode controller is designed. The stability of the closed-loop system is proved by the Lyapunov-based method. Several numerical examples are conducted to verify the validity of both the open-loop and closed-loop control strategy.     

空间机动服务平台在轨补给技术研究

根据空间机动服务平台的特点,对推进剂在轨补给技术进行了研究,提出了一种空间机动平台推进剂在轨补给方案,即基于表面张力贮箱作为加注箱和接受箱的双组元推进系统的在轨加注方案。该方案具有如下优点：与现有卫星推进系统相匹配,改动量最少;没有使用任何活动部件,提高了系统的可靠性;产生的热量比倍压式要少,便于缩短加注时间,提高加注的可靠性和安全性。依据这一方案对空间机动平台在轨补给系统进行了详细设计。