Stewart平台动力学建模及鲁棒主动隔振控制

未来复杂航天器低频模态密集,其敏感载荷要求很高的指向精度和稳定度,只对航天器本体姿态控制很难满足要求.本文采用Stewart超静平台对敏感载荷进行6自由度主动隔振,建立了非线性动力学模型,并根据线性模型设计了多变量鲁棒控制器,采用DK迭代算法求解.频域分析可得Stewart平台对3～800Hz的扰动主动隔振大于25dB,仿真证明Stewart平台对10Hz谐波扰动隔振性能优于40dB,对白噪声随机扰动隔振性能优于30dB,有效抑制了微小扰动,起到了6自由度超静隔振平台作用.     

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。     

轮控航天器的IMM自适应反步变结构容错控制

针对存在飞轮故障、转动惯量不确定性和干扰力矩的轮控航天器姿态机动问题,提出了一种基于交互多模型算法(IMM)的自适应反步变结构容错控制方法。该方法可以有效提高系统控制精度,保证航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的较小邻域;同时有效减小飞轮抖振,降低诊断不确定性对系统的影响。最后在Matlab/Simulink环境下对航天器姿态机动进行了仿真研究,结果表明了提出的控制算法在处理航天器姿态机动问题方面的有效性和可行性。     

柔性航天器姿控执行机构微振动集中隔离与分散隔离对比研究

姿控执行机构高速旋转诱发的微振动会降低柔性航天器姿态稳定度。为实现高稳指向,文章研究了姿控执行机构的集中隔振与分散隔振技术。首先建立包含隔振器的柔性航天器姿态动力学模型;然后仿真研究航天器在作大角度机动和稳定控制两种工况下,姿控执行机构的两种隔振方案的性能,并进行了对比分析。研究结果表明:航天器进行大角度机动时,对于高刚度隔振器,两种隔振均具有稳定性,并且指向控制性能相似;对于低刚度隔振器,集中隔振较分散隔振容易失稳;在稳定控制工况下,对于高刚度隔振器和低刚度隔振器,两种隔振性能基本一致。     

航天器喷气姿态机动分力合成抑制模态选取准则

针对利用喷气执行机构实现航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,以期望的姿态指向精度及稳定度为约束,提出了需要抑制的系统模态阶次选取准则。仿真验证模型由绕单轴旋转的中心刚体及柔性附件组成,应用拉格朗日法建立适用于不同附件位置的系统动力学方程,利用准则设计了常幅值分力合成控制力矩。仿真结果验证了所提出准则的有效性,并表明：在姿态机动前若能适当调整柔性附件的位置,将便于分力合成控制器设计,易于获得较高的姿态指向精度及稳定度,且利于减少喷气次数。     

基于高阶滑模变结构的挠性航天器大角度姿态机动控制研究

考虑转动惯量不确定性和外界干扰条件下,对基于高阶滑模变结构的挠性航天器大角度姿态机动控制进行了研究。用四元数描述航天器的姿态运动学方程,为消除一阶滑模变结构控制律中因符号函数切换产生的高频抖振,用超螺旋算法设计了二阶滑模变结构控制器。超螺旋算法包括控制律的不连续时间导数和滑模变量的连续函数两部分,保证滑模相对阶次为2,无需滑模变量的时间导数信息,用连续的超螺旋控制律替代符号函数的切换部分,实现了二阶滑模变结构控制。仿真结果表明:算法对姿态机动控制力矩抖振的抑制作用明显,在相同的扰动和转动惯量不确定性条件下,基于超螺旋算法的二阶滑模变结构控制对挠性附件的振动抑制能力更强,抗干扰能力和鲁棒性更优。     

航天器姿态大角度机动有限时间控制

针对航天器姿态大角度机动控制问题，在存在外部扰动的情况下，基于航天器姿态跟踪系统的标准级联特性，利用反步法和自适应控制设计有限时间控制器。提出的控制方法可以严格保证姿态大角度机动系统是全局有限时间稳定的。李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明，系统在控制器的作用下可以快速机动到平衡点并保持稳定，全物理仿真试验进一步表明了所提出的控制方法的有效性和优越性。     

双体卫星对日定向姿态机动控制

研究了双体卫星(DFP)对日定向姿态机动控制问题。首先分析双体卫星工作机理，建立载荷舱与平台舱姿态模型，推导磁浮机构线圈和磁钢相对距离的数学表达式。提出基于PD控制的载荷舱对日姿态机动、平台舱姿态跟踪以及两舱避碰等控制策略。在此基础上，为提高平台舱姿态跟踪速度，设计反步控制器对平台舱飞轮的动态特性进行补偿。进一步，为提高两舱协同控制性能，对传统PD控制进行改进，提出基于变增益PD控制的载荷舱姿态机动控制律，将两舱相对姿态信息包含在载荷舱对日姿态机动控制律中，有效降低了两舱碰撞风险，提高了两舱姿态机动速度。仿真结果表明，本文控制算法能有效实现双体卫星对日定向，且能避免两舱碰撞。     

航天器姿态机动的鲁棒自适应控制器设计

针对存在未知惯量矩阵和外干扰力矩的刚体航天器姿态机动问题,将自适应反步法与非线性阻尼算法结合起来,提出了一种鲁棒自适应控制器。所设计的控制器实现了对航天器惯量参数的估计,克服了外干扰力矩引起的不确定性,保证了闭环系统的所有状态是全局一致最终有界的,使得航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的一个较小邻域。最后在Matlabs Simulink环境下对航天器姿态机动系统进行了仿真研究,仿真结果表明了提出的控制算法处理航天器姿态机动问题的有效性和可行性。     

以VSCMG为执行器的航天器姿态机动自适应动态滑模控制

针对刚体航天器姿态机动控制问题,结合变速控制力矩陀螺(VSCMG)执行器的特性,提出一种自适应动态滑模控制律,提高了姿态机动控制的扰动抑制能力和鲁棒性。此控制律采用自适应方法对扰动力矩进行估计,通过给出控制力矩变化率并对其积分得到控制力矩,以此削弱切换控制的抖振对控制力矩时间连续性的影响,从而改善系统的动态性能。仿真分析显示该控制律能够在扰动力矩作用下实现刚体航天器的快速姿态机动,并且有效减弱了滑模控制的抖振现象。     

挠性航天器姿态跟踪非线性PID控制技术研究

研究了挠性航天器姿态跟踪的非线性PID控制技术.基于误差四元数的动力学和运动学方程,运用Lyapunov稳定性理论设计了新型的航天器非线性PID控制器.控制器不仅具有非线性特点,而且比例参数具有时变的特性,能够根据误差的大小自行进行调整,因此比常规PID控制器具有更好的控制效果.另外,控制器可调参数少,计算简单,工程上易于实现,数学仿真证明了控制方法的有效性.     

编队InSAR相对姿态控制

编队InSAR要求较高的相对姿态指向精度和地面观测重合度。根据相对姿态控制要求，提出了编队InSAR相对姿态计算的方法，从而确定从星的期望姿态。在此基础上，设计了两种非全状态反馈控制器及相应的角速度滤波器：半状态反馈控制器和角速度滤波器，输出反馈控制器和滤波器，进行相对姿态控制。数值仿真结果表明两种方法均可满足编队InSAR相对姿态控制要求。     

航天器姿态跟踪系统的非线性鲁棒自适应控制

研究有未知惯量矩阵和干扰力矩的刚体航天器姿态跟踪。对此类多输入多输出、不确定非线性系统,提出了一种非线性鲁棒自适应控制策略,用Lyapunov直接法分析了闭环系统稳定性。理论分析表明,该控制器不仅保证闭环系统一致最终有界稳定,航天器姿态跟踪误差收敛至系统平衡点的一个较小领域,而且使闭环系统对航天器惯量参数有自适应能力,对有界干扰力矩具鲁棒性。仿真结果表明：所设计的非线性鲁棒自适应控制器有效。     

Adaptive attitude control of spacecraft using neural networks

An adaptive control technique can be applicable to reorient spacecraft with uncertain properties such as mass, inertial and various misalignments. A nonlinear quaternion feedback controller is chosen as a baseline attitude controller. A linearly added adaptive input supported by neural networks to the baseline controller can estimate and eliminate the uncertain spacecraft property adaptively. The normalized input neural networks (NINNs) are examined for reliable computation of the adaptive input. The newly defined learning rules of the neural networks are established appropriately for a spacecraft. To prove the stability of the closed-loop dynamics with the control law, Lyapunov stability theory is considered. As a result, the proposed approach results in the uniform ultimate boundedness in tracking error and robustness of the chattering and the singularity problems.     

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。     

受细胞膜放电模型启发的航天器姿态鲁棒控制

研究了具有模型参数不确定和受空间环境干扰影响的挠性航天器姿态大角度快速机动快速稳定控制问题,设计了一种受细胞膜放电模型启发的鲁棒姿态控制器。综合考虑挠性航天器的强非线性和强耦合特性,设计了对模型参数和环境干扰具有鲁棒性的姿态机动控制器。为了减小机动中姿态突变激发的挠性附件振动,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进的鲁棒控制器。当参数不确定范围和干扰有界时,所提鲁棒控制器可使闭环系统的解最终一致有界。最后,分析了控制器参数对姿态控制性能及所需能量的影响。数值仿真验证了所提鲁棒控制器用于姿态机动控制可以得到良好的效果。     

考虑多禁止指向区域的航天器反步姿态机动控制

针对规避多个禁止指向区域的航天器姿态机动控制问题，本文在利用势函数法构造约束条件的基础上设计了一种基于反步法的航天器姿态机动控制律。首先，构造了一种通用的基于误差四元数的航天器锥形禁止指向姿态集描述，并将其转化为凸约束集形式。其次，基于该凸约束集，提出了一种物理意义明确的新型凸势函数构造方法，且该势函数仅存在唯一全局最小值，避免了传统势函数的局部极小值问题。进一步地，考虑多个禁止指向区域，设计了一种基于反步法的航天器姿态机动控制律。最后，通过典型数值仿真算例表明了本文所提出控制算法的有效性和优越性。     

基于Hexapod的精密跟瞄平台研究

针对精密光学设备的空间应用,设计了基于并联机构的空间高稳定精密跟瞄系统。利 用所设计的宏／微双重驱动复合作动器和精密铰接元件,研制了精密跟瞄Hexapod平台原理 样机,考虑到精密跟瞄系统的特点,开发了包括宏动控制系统、微动控制系统和检测系统在 内的实验测试系统,并利用实验初步测试了Hexapod平台原理样机关键性能。由实验结果可 知,平台原理样机的转动范围超过10°,最高开环转动速度大于5 deg／s,经压电微动部 分补偿后的平台静态定位误差小于5 μrad,通过主动控制使扰动振幅衰减至噪声水平 ,可用于驱动有效载荷以较高的速度在较大范围内搜索目标并具有较好的静态定位精度和稳 定性。