考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法

以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小、推力器负载均衡等为设计目标,构建航天器推力分配混合优化模型,并将其转化为线性规划模型进行求解,提出了一种考虑负载均衡的航天器推力器动态分配算法。该算法在确保分配误差最小前提下,能够降低各推力器的最大分配推力之差,有效均衡各推力器总工作时长和开关次数,进而延长推进系统的整体工作寿命。进一步定义了表征负载均衡性能的推力平衡度和干扰敏感度性能指标,并在此基础上给出了一种分配算法负载均能能力的定量化评价方法。在仿真验证中,采用平衡度和敏感度对算法性能进行定量评估,结果表明该方法在保证控制性能和控制分配误差的前提下,能够有效均衡各推力器最大推力,提高了系统的平衡度和对扰动力矩的鲁棒性。     

航天器空间自主交会故障诊断与容错控制的集成设计

提出了一种航天器圆轨道自主交会故障诊断与容错控制的集成设计方法。在考虑推力器输出约束的情况下,完成了故障诊断与容错控制的集成设计,该集成设计包括鲁棒容错控制器设计和鲁棒故障观测器设计两大部分。为了提高交会过程中的过渡性能,对该控制器完成了鲁棒D稳定性分析。仿真表明该设计具有良好的动态性能和对推力器故障的容错性,并且能够快速准确地诊断出推力器和交会敏感器的故障。     

基于最优推力锥的级联推力分配算法

推力分配是推力系统冗余配置时航天器姿态控制系统的必备组成单元.针对传统直接搜索法以及单纯形法在分配过程中在线计算量大、工程实现较难的不足,提出了一种基于最优推力锥的级联分配方法.该算法首先进行无约束分配,搜索出实现目标控制量的准最优推力锥,然后用推力器喷气时间上限对无约束问题的最优推力组合进行饱和处理,更新推力器喷气时间上限,计算当前推力组合的控制误差,并作为下一步的目标控制量,更新推力锥,重复迭代,直至控制误差为0或当前目标量的可行锥不存在.文中以空间站核心舱为例进行了仿真,结果显示:与传统单纯形法相比,该方法能在保持计算量优势的前提下,在目标量可实现时能优化推力组合,精确实现目标量;目标量不可实现时,能在可达集内最大限度地实现目标控制量,充分利用了推力系统的控制能力.     

考虑推力器推力上界及故障情况的航天器实时指令分配最优查表法

从航天器配置的所有推力器中选出能实现控制量要求的推力器组合,并计算出组合内每台推力器的工作时间,称之为推力器的指令分配。首先介绍现有推力器指令分配方法中较为先进的最优查表法。在此基础上考虑工程实际,分别针对推力幅值存在上界以及卫星在轨运行可能出现推力器故障的情况,依据线性规划中的单纯型算法对原最优查表法进行补充,给出这两种情况下推力器指令分配的实时最优查表法。经仿真验证,算法能在保持原始最优查表法解的最优性及求解的快速性等诸多优点的前提下,增强了推力器配置的控制能力,并有效解决了推力器故障情况下的指令分配问题。     

交会对接航天器推力分配算法研究

如何将期望控制指令动态地分配到冗余配置的推力器系统成为航天器控制算法设计的关键问题之一.针对推力器冗余配置的航天器控制分配问题进行初步探索性研究,提出了一种基于控制分配技术的推力动态分配新方法.首先建立推力分配问题的数学模型,并运用伪逆与线性规划相结合的二次分步优化方法对问题进行求解,且将其应用于以推力器为执行机构的交会航天器轨道与姿态一体化控制问题研究.最后对算法进行开环仿真验证,并采用微小卫星物理仿真平台(MicroSim平台)的推力器配置方案进行交会对接最后接近段的六自由度闭环数学仿真验证.仿真结果表明:所提算法在燃料消耗上优于传统的轨道与姿态单独控制模式.     

固体微推力器阵列的推力估计与分配补偿方法

针对固体微推力器阵列(SPMA)中微推力器一次性点火，推力测试中难以获得精确推力的特点，为实现推力在线估计和实时补偿，提出一种利用二次规划对微推力器阵列推力进行估计，同时结合混合整数规划算法进行推力分配的方法，对估计算法收敛性以及控制系统稳定性进行了分析。该方法在不修改控制律的前提下，对推力器推力进行在线估计，并采用推力分配的方法实时补偿推力器出现的推力偏差，对系统稳定性的分析证明该方法可以保证系统的有界稳定。将其应用到微纳卫星编队保持中，仿真结果表明，在微推力器阵列出现推力偏差的情况下，该方法能很好地补偿推力偏差对控制系统造成的影响。     

基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法

为了使固体微推力器阵列更具实用性,提出了一种适用于一体化控制的推力器布局方法;对基于固体微推力器阵列的推力器姿轨控分配算法问题分别进行了建模,引入了成本概念,保证推力器使用个数最少;将动态规划及贪心策略思想引入到了推力器分配问题求解中,建立了求解数学模型,进行了算法实现;对用于一体化控制中的推力器分配问题以及信息共享问题进行了分析。经过算法分析及仿真验证,该方法能有效快速求解该问题,有利于实现实时控制,能满足一体化控制的要求。     

基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典Theta-D方法,提出了一种包含终端状态约束的滚动优化有限时域最优控制快速解算方法,推导了中间过程微分Riccati方程和微分Lyapunov方程的横截条件。控制器设计充分考虑了有限脉冲小推力器和有限力矩输出装置的约束。对近距离快速绕飞的仿真结果说明了方法的有效性,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下控制输出幅值小,具有工程实际意义。     

1 mN射频离子推力器参数与性能分析

射频离子推力器是空间电推进的一种,其推力性能是系统设计的核心问题。为获得推力特性随设计参数的变化规律,采用数值计算方法进行了研究,开展了1 mN射频离子推力器设计计算,对不同放电室尺寸、流量、射频功率、屏栅电压下的推力性能进行了分析并进行了工况优化。结果表明,模型能够正确地描述射频离子推力器性能变化规律,放电室内径25 mm的推力器即可以实现1 mN推力指标,在最优工况下,推力器推力1.176 mN,比冲2 503 s,效率53.13%,满足设计要求。根据该模型研制的推力器样机成功点火,验证了数值模型的有效性,可以利用该模型为射频离子推力器研制工作提供指导。     

视线系空间软交会常值推力控制方法设计

研究了视线坐标系内的空间软交会常值推力控制方法。首先,描述了常值力约束下的空间软交会控制问题与交会运动模型,并将非线性视线动力学交会模型处理成一种由距离、径向速度和切向速度作为状态量的新型状态相关模型。然后,根据预测控制基本思想,提出了常值控制指令和开关机时间约束下的滚动优化控制方案,包括预测模型获取、滚动优化指标和控制流程。在指标设计中,通过在二次型优化指标函数中引入剩余飞行时间与切向速度构成的切向位移误差项,改善了控制效能。最后,通过多组数字仿真验证了对于圆轨道和椭圆轨道的自主接近任务本文设计的方法均有效适用。     

卫星姿态控制系统故障重构观测器设计

对于卫星姿态控制系统,提出一种基于PD型学习观测器(Learning observer, LO)的系统故障重构方法。在P型LO的学习算法基础上引入测量输出估计误差的微分项,设计了一种PD型LO,估计卫星姿态角速度和姿态角的同时,快速精确重构卫星执行机构故障。给出了所提观测器的稳定性条件,并基于线性矩阵不等式技术提出一种系统化PD型LO设计方法。进一步,将所提PD型LO设计扩展用于卫星姿态敏感器故障的快速重构。最后,将所提方法应用于微小卫星推力器故障重构和陀螺故障重构,仿真结果校验了所提方法的有效性。     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

飞行器滑模变结构姿态控制器参数优化设计

研究了大气层外飞行器姿态控制器设计。基于误差四元数建立飞行器姿态运动学与动力学方程,用滑模变结构控制方法设计控制器,通过构造Lyapunov函数验证了控制器具全局稳定性和鲁棒性。以控制器参数为优化变量,机动时间为优化指标,飞行器发动机输出力矩为约束条件,用粒子群算法实现对滑模控制器参数的优化设计。仿真结果表明：控制器设计可行且有效,并能对参数进行优化。     

基于自适应动态逆的高超声速飞行器姿态复合控制

考虑高超声速飞行器再入过程中存在气动舵低效的问题,提出了质量矩/气动舵复合控制方式,研究了这两类执行机构的复合控制分配问题,并针对高超声速飞行器强非线性和不确定性的对象特性,基于神经网络方法设计了自适应动态逆姿态控制系统。首先给出了质量块配置原则以及质量矩/气动舵复合控制模型;其次,为获得良好的控制分配精度并保证较小的执行机构能耗,基于二次规划方法设计了质量矩/气动舵复合控制分配策略;再次,利用神经网络权值的自适应调整来逼近系统中存在的不确定性,补偿动态逆误差,设计了基于神经网络的自适应动态逆控制器。最后,通过仿真验证了文中控制分配策略和自适应动态逆方法的有效性。     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。     

基于机器学习的卫星姿态控制律设计

传统的优化算法只能针对给定控制律的指定参数进行优化.机器学习的方法,不仅进化参数,而且可以按给定准则进化出卫星姿态控制律表达式.建立卫星姿态动力学模型及敏感器和执行机构的原理与误差模型,构成含噪声的单自由度的闭环数字仿真系统.统计一段时间内仿真结果的姿态精度和稳定度作为该控制律的适应度函数.针对姿态控制律选定合适的函数...     

失效航天器的姿态机动接管控制

为实现失效航天器寿命延长的目的,采用接管控制技术接管失效航天器姿态控制系统。针对姿态机动接管控制中,失效卫星参数不确定和推力器构型矩阵突变的问题,提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态机动接管控制方法。首先采用指令滤波backstepping控制来重构姿态机动接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后对推力器构型矩阵进行重构;最后考虑燃料消耗和控制输入受限问题,通过基于约束最优二次规划的动态控制分配算法对推力器推力进行控制重分配。采用本文方法实现了对燃料耗尽航天器和部分执行机构失效航天器的姿态机动接管控制。数值仿真证明了该方法的有效性。     

一种面向空天飞机再入的智能自适应复合控制方法

针对空天飞机再入横、侧向通道的姿态控制问题，设计了一种智能神经网络自适应复合控制方法，基于误差反馈学习准则在线更新神经网络权重以补偿全量姿态控制律输出的姿态控制指令。同时，面向再入过程横侧通道的强耦合问题，引入了耦合控制系数，以降低横、侧通道间的控制干扰。此外，提出了一种自适应链式控制分配律，在控制信号中引入正交优化多正弦激励，基于递推最小二乘方法对气动参数进行在线辨识，进而实时更新链式分配策略。最后，对空天飞机再入横侧向通道的神经网络自适应复合控制方法进行数学仿真校验，验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

推力器布设对控制误差的影响分析

航天器推力系统发动机数目及其构型的选择直接影响控制系统的精度和完成要求任务的燃料消耗量.对航天器六自由度控制的推力分配问题进行了研究,参考卫星导航系统中几何精度衰减因子的定义,提出了发动机构型精度衰减因子的概念,用于定义发动机相对几何关系引起的执行误差与分配误差间的比例关系.通过矩阵理论分析得到了构型精度衰减因子随参与分配发动机数目增加而增加的结论,并通过仿真计算对相关结论进行了验证,为航天器发动机数目及其构型的选择提供了理论参考.     

微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法

针对传统皮纳卫星姿态控制系统中磁力矩器输出力矩小、姿态控制响应慢等问题，提出一种微型固体推进器阵列与磁力矩器联合姿态控制方法，提高了控制精度，缩短了控制周期，并利用Lyapunov稳定性理论证明了算法的稳定性。首先建立微型固体推进器阵列优化点火模型，然后给出其补偿控制时间设置方法，并推导出大角速度阻尼控制律和辅助速度阻尼控制律，同时设计了基于混合系统模型的姿态捕获联合控制律，最后通过仿真验证了速度阻尼联合控制律和姿态捕获联合控制律的有效性。仿真结果表明，相较于传统的纯磁控方法，联合控制方法能够有效提高控制精度，大幅度缩短控制周期。