采用VSCMGs的航天器IPACS设计的一种投影矩阵方法

研究以变速控制力矩陀螺群（VSCMGs）为执行机构的能量／姿态一体化控制系统（IPACS）中的操纵律设计问题。建立了带VSCMGs的刚性航天器的动力学方程，用Lyapunov方法设计了渐近稳定的姿态控制律；在对VSCMGs的动力学进行详细分析的基础上，用投影矩阵法设计了一种操纵律，该算法将姿态控制指令力矩分解成两个力矩分量之和，其中一个由陀螺模式提供，另一个由飞轮模式提供，从而使VSCMGs处于构型奇异时陀螺模式也处于工作状态，降低了飞轮模式的负荷；文中证明了IPACS所需的变速控制力矩陀螺（VSCMG）个数最少为3，并分析证明了所设计的算法可以有效地解决姿控／储能一体化设计中可能出现的奇异问题。仿真结果验证了所设计算法的可行性。     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据，分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差；在陀螺群远离奇异状态时，用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性，完成按照给定的功率存储／释放能量，并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节，以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例，给出了数值仿真结果。     

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。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制，引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系，在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性，并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零，从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差，使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例，对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真，并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。     

空间站姿态控制和动量管理研究

空间站在利用控制力矩陀螺 (CMG)进行姿态控制的过程中 ,由CMG产生的内力矩使空间站角动量重新调整分配 ,会引起控制力矩陀螺角动量随时间的累积 ,从而导致角动量的饱和。本文在空间站姿态控制与动量管理 (ACMM )线性化模型基础上 ,首先建立了不考虑扰动抑制下的控制系统稳定模型 ,其次分析了考虑扰动抑制下的控制器设计 ,引入线性系统有关理论 ,利用内模原理实现对扰动抑制的鲁棒控制 ,最后通过仿真验证了系统的有效性     

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明，提出的扰动力矩抑制方法是可行的，具有很强的鲁棒性。     

挠性框架对陀螺飞轮性能影响分析

挠性框架是实现陀螺飞轮输出三轴控制力矩、测量外界角速度的关键部件。通过数值计算分析了挠性框架平衡环的惯量特性、内/外弹性元件的摆动刚度,以及倾侧角度对陀螺飞轮整机性能指标的影响。分析结果表明:降低挠性框架剩余刚度系数可以提高陀螺飞轮转子摆角控制精度,降低控制力矩。     

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。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题，提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先，建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型，得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型，基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性，确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而，通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理，将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题，并应用一阶下降算法进行寻优求解，实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制，在保证快速性和鲁棒性的前提下，实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明，所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

基于扩展块的星载软件控制流容错评价方法

空间环境因素引发的星载软件瞬态的控制流错误可能对系统执行效能造成严重影响，为避免容错算法存储开销和执行开销给系统带入过多的计算压力，提出在容错算法开销和所取得的系统的可靠性提升上取得一定折衷，这是星载软件可靠性设计的合理方向。设计了一种适合于弹性添加容错代码的容错方法：扩展块数字签名的控制流检测方法ESCFC（Extend block Signatures for Control Flow Checking）。由空间高能粒子的实验结果和在轨实测结果为系统可靠度建模，提出了算法开销和可靠性效能提升的平衡关系的工程参考和理论依据。定性分析和模拟，充分说明了将该方法运用于航天工程的可行性。     

航天器发展对控制理论的挑战

本文综述和分析了现代航天器的发展及其对控制理论提出的挑战。这些挑战包括:①挠性空间结构动力学和控制;②鲁棒性和自适应控制;③高精度多变量控制系统的设计方法和理论;④容错控制系统的设计和人工智能研究;⑤大系统控制理论。     

空间交会最优控制理论和方法的研究进展

本文概述了国内外最优交会控制理论和方法,着重论述了近几年国内的进展。介绍了有限推力作用下邻近的近圆轨道最优交会,一般共面椭圆轨道全局最优交会,多冲量推力线性化和非线性交会轨道最优制导和水平冲量推力最优交会控制理论和方法的研究成果。     

欠驱动挠性航天器的全姿态控制

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了“喷气消旋＋飞轮机动”的分段控制方法,其基本思想是：首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对“喷气消旋”,说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对“飞轮机动”,证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对“喷气消旋＋飞轮机动”的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。     

基于扩展块的星载软件控制流容错评价方法

空间环境因素引发的星载软件瞬态的控制流错误可能对系统执行效能造成严重影响,为避免容错算法存储开销和执行开销给系统带入过多的计算压力,提出在容错算法开销和所取得的系统的可靠性提升上取得一定折衷,这是星载软件可靠性设计的合理方向。设计了一种适合于弹性添加容错代码的容错方法:扩展块数字签名的控制流检测方法ESCFC(Extend block Signatures for Control Flow Checking)。由空间高能粒子的实验结果和在轨实测结果为系统可靠度建模,提出了算法开销和可靠性效能提升的平衡关系的工程参考和理论依据。定性分析和模拟,充分说明了将该方法运用于航天工程的可行性。