大挠性航天器的模糊模型预测控制

针对带有大型挠性附件的航天器姿态控制系统，将自适应模糊控制和模型预测控制相结合，设计了大挠性航天器的模糊模型预测姿态控制策略。基于大挠性航天器的动力学模型，采用泰勒展开设计出了非线性模型预测控制律，避免了预测控制在线优化过程中繁琐的计算，有效降低了计算复杂度。针对大挠性附件振动导致的不确定性扰动对姿态控制的影响，使用自适应模糊控制来逼近不确定扰动。基于Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性，并推导了模糊参数的自适应律。仿真结果表明所设计的控制策略对大挠性附件振动有很好的抑制作用，可以控制姿态角对期望值实现快速跟踪，具有较好的控制特性。     

平滑切换控制律的参数化设计及其在倾斜转弯导弹中的应用

研究了一类可以抑制切换时刻输出跳跃的多模型切换控制器的设计问题。基于参数化特征结构配置结果及模型跟踪方法,设计了满足输出跟踪性能并使多模型系统中各闭环子系统渐近稳定的多模型切换控制律集合。充分利用了参数化特征结构配置方法提供的全部自由度,协调选取各子系统控制律中的参数来抑制切换时刻的输出跳跃。将本文提出的方法应用到某型倾斜转弯导弹自动驾驶仪设计中,仿真结果表明导弹的输出过载迅速准确跟踪制导指令,并且切换抖动得到有效抑制。     

卫星天线跟踪指向控制系统的全系数自适应控制

根据全系数自适应控制的原理，进行了卫星天线跟踪指向控制系统的设计和数学仿真研究。尝试将单变量全系数自适应控制推广到多变量全系数自适应控制，在多变量系统中取得了满意的去耦控制效果。最后，进一步探讨了所设计的控制器在工程应用中可能产生的问题，并给出了满足工程要求的卫星天线跟踪指向控制系统数学仿真结果。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

旋转状态柔性附件航天器振动及其变结构控制

基于Hamilton变分原理,采用Mindlin厚板理论,研究了旋转状态中心刚体—悬臂厚板振动及其变结构控制问题。采用Hamilton状态空间法,应用弹性波与振动模态理论,确定了Mindlin厚板中的振动模态。针对该模型系统设计了控制器,采用滑模变结构控制理论,实现了对系统实施渐近稳定控制的设计。采用的变结构控制能使系统达到所期望的振动状态,有效地抑制了平板振动。最后,给出了数值模拟结果,讨论了中心刚体—悬臂厚板位移的动力学控制规律。该方法和计算结果可望能在带有柔性附件航天器的动力学控制中得到应用。     

抓捕航天器的多环递归姿态跟踪控制

为提升存在控制饱和约束抓捕航天器的姿态跟踪精度,先引入姿态跟踪误差的积分项,将广义二阶姿态控制系统扩展成广义三阶姿态跟踪动力学系统,并给出扩展系统控制目标的设计方法;接着对扩展系统提出多环递归跟踪控制策略,设计了一种辅助动力学系统在线消除控制饱和约束,给出保证闭环系统渐近稳定的自适应多环姿态跟踪控制器。数值仿真显示,该方法能有效提升姿态跟踪精度,且姿态跟踪轨迹具有优良的动态品质。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾，研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先，考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求，建立姿态机动的多目标多约束条件，优化获得姿态机动轨迹，在满足快速性基础上，最大限度提高稳定性；其次，设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS)，与传统输入成形器相比，FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性，能够有效抑制柔性附件振动，为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础；最后，设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC)，避免增益过估计，提高控制精度，实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

基于特征结构配置的无人机多目标控制技术研究

阐述了特征结构配置法在飞行控制系统设计中的应用问题.从理论上探讨了特征结构配置的概念和根据设计指标确定特征结构的方法.应用这种方法,根据对无人机运动模态的分析,设计出结构简单的多输入多输出飞行控制器.通过对某型无人机多目标控制器的设计仿真表明:采用该控制器的飞行控制系统实现了各模态之间的解耦,且具有良好的动态性能和跟踪性能.     

战术导弹大机动飞行时的姿态控制

利用变结构跟踪控制理论设计了战术导弹大机动飞行时的姿态角控制系统，并进行了仿真研究，结果表明了所设计的控制律有效。     

预警卫星H∞回路成形复合控制研究

针对预警卫星系统所具有的建模不确定性与干扰不确定性,为了实现凝视相机对战术弹道导弹的快速、高精度自动跟踪指向控制,设计了具有鲁棒稳定性的星体姿态与相机跟踪指向的复合控制系统.先利用拉格朗日法建立了预警卫星系统的动力学模型,在研究凝视相机对战术弹道导弹跟踪规律的基础上,运用H∞回路成形理论设计了星体姿态和相机跟踪指向的复...     

基于多柔体动力学的飞行器多目标优化设计

研究了柔性航天器总体设计中基于结构与姿态控制的多目标优化问题。利用拉格朗日 方程建立了刚柔耦合系统动力学模型,提出以附件质量和微分矩阵最大实特征值为目标函数 的多目标优化问题;采用非支配排序进化求解算法（NSGA-II）,对某柔性航天器进行了多目 标优化分析设计;最优决策为具有一定规律性的空间曲线,该优化结果对柔性卫星的总体分 析设计具有一定的指导意义。
     

连续力矩作用下的柔性航天器再定向与振动抑制

研究带两帆板航天器的三维再定向与振动抑制问题，执行机构为反作用轮。建立了柔性空间飞行器三轴耦合姿态动力学模型和四元数姿态运动学模型，建模时考虑了帆板的弯曲变形和扭转变形。采用拟欧拉角及角速度作为反馈信号，设计了一种ＰＤ控制律。该控制律可以用于对任意目标姿态的再定向而形式保持不变。用Ｌｙａｐｕｎｏｖ方法证明了姿态的渐进稳定性和模态振动和衰减性。非线性闭环系统的仿真结果验证了所设计控制律不仅能够使航天     

大型空间结构的自适应控制

本文将Bar-Kana等人的模型参考自适应控制法(MRAC)用于柔性结构的自适应控制中,原方法要求系统的输入维数等于输出维数。对于柔性的大型空间结构(LSS),观测量的数目往往大于输入量的数目。本文采用组合LSS各观测点的信号,形成综合输出矢量Y_P,以满足自适应控制系统中,用较少的控制输入达到控制LSS结构中较多观测点的要求。为了克服跟踪误差,本文建议用最优返馈增益阵作为输出阵C_P,并采用LQR理论以求C_P。 本文将大型空间结构的实例简化成离散模型,进行模拟计算,计算结果说明系统有较好的跟踪特性,当LSS的柔度变化较大时,系统具有跟踪的鲁棒性。     

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。     

柔性空间飞行器的振动抑止控制

本文提出了一种带有柔性附件的卫星的振动主动抑止方法,给出了能抑止任意阶振动谐波的条件.作为举例,分析了太阳帆板的转动控制,在使帆板平稳旋转的同时,还使卫星姿态稳定无振.     

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.     

Analysis and experiments for delay compensation in attitude control of flexible spacecraft

Space vehicles are often characterized by highly flexible appendages, with low natural frequencies which can generate coupling phenomena during orbital maneuvering. The stability and delay margins of the controlled system are deeply affected by the presence of bodies with different elastic properties, assembled to form a complex multibody system. As a consequence, unstable behavior can arise. In this paper the problem is first faced from a numerical point of view, developing accurate multibody mathematical models, as well as relevant navigation and control algorithms. One of the main causes of instability is identified with the unavoidable presence of time delays in the GNC loop. A strategy to compensate for these delays is elaborated and tested using the simulation tool, and finally validated by means of a free floating platform, replicating the flexible spacecraft attitude dynamics (single axis rotation). The platform is equipped with thrusters commanded according to the on–off modulation of the Linear Quadratic Regulator (LQR) control law. The LQR is based on the estimate of the full state vector, i.e. including both rigid – attitude – and elastic variables, that is possible thanks to the on line measurement of the flexible displacements, realized by processing the images acquired by a dedicated camera. The accurate mathematical model of the system and the rigid and elastic measurements enable a prediction of the state, so that the control is evaluated taking the predicted state relevant to a delayed time into account. Both the simulations and the experimental campaign demonstrate that by compensating in this way the time delay, the instability is eliminated, and the maneuver is performed accurately.     

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。     

挠性航天器的鲁棒多目标姿态控制器设计

航天器挠性附件的振动难以直接测量且对航天器的姿态控制精度产生不利影响。为解决这一问题,提出一种基于观测器的鲁棒多目标姿态控制系统设计方法,借助特征结构配置的参数化方法,给出了含有自由参向量的控制器以及观测器的完整参数化形式。通过对自由参向量的多目标优化选取,使控制系统具有良好的鲁棒性和干扰抑制能力,并避免了控制输出饱和现象的发生。对一个挠性航天器的设计实例表明了方法的有效性。
     

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成，每个挠性附件都与中心刚体直接相连，组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同，卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言，在展开过程的不同阶段，卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法，提出了一套通用的解决方案，以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程，得出了姿态控制方程的系数矩阵。