基于干扰观测器的受扰卫星姿态控制器设计与优化

对复杂环境下的卫星姿态控制进行了研究,针对存在外界干扰和转动惯量不确定的卫星姿态控制,建立了基于误差四元数卫星姿态动力学与运动学方程,在此基础上设计了反演滑模控制器,构造Lyapunov函数并从理论上证明了闭环系统的稳定性;设计非线性干扰观测器(NDO)对等效干扰进行估计,使控制器输出力矩减小,有效降低了输出饱和的风险,同时抑制了滑模控制带来的抖振;为了获得更好的控制效果,以控制器参数为优化变量,综合考虑了控制器的动态性能和被控对象的输入受限条件,建立了评价函数,利用改进的粒子群算法对控制器参数进行优化。仿真结果表明设计的控制器可行且有效,得到了较好的控制效果。     

基于机械飞轮干扰补偿的小卫星自适应滑模变结构姿态控制

针对机械飞轮内干扰可能导致小卫星姿态控制系统性能下降问题,提出了一种加入机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构姿态控制方法.本文针对基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态控制系统,首先建立系统详细的数学模型,包括基于机械飞轮的三轴稳定卫星姿态动力学方程和机械飞轮控制系统模型,然后针对此系统设计了一种基于机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构控制器,其中通过设计一种状态观测器得到机械飞轮摩擦干扰的估计值,用于对机械飞轮摩擦干扰的补偿,并通过Lyapunov定理证明了此控制律能保证系统的渐近稳定性.最后仿真结果显示,此方法缩短了飞轮转速过零时间,降低了最大的姿态扰动量且提高了卫星姿态控制的精度和稳定度.     

带大惯量运动部件卫星姿态高精度复合控制研究

对有大惯量运动部件的三轴稳定卫星在稳态运行期间高精度高稳定度控制方法进行了研究。提出了一种卫星姿态高精度动态补偿控制算法:先基于卫星姿态动力学模型与卫星有效载荷运动部件摆动规律,设计了姿态稳定反馈控制律和补偿摆动部件干扰力矩的前馈控制器,用前馈-反馈控制的复合控制算法,消除运动部件摆动对卫星姿态控制系统产生干扰力矩的负面影响;再用干扰观测器修正因通信延迟造成的补偿残余力矩,设计了扰动观测器对前馈补偿残余力矩进行辨识,进一步补偿修正残余力矩,以保证控制系统的性能指标。仿真结果表明:该法能有效补偿干扰力矩并提高控制精度,实现的卫星姿态控制精度优于0.005°。     

一种基于SGCMG的欠驱动姿态控制方法

针对以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的卫星,提出分步设计控制律和操纵律来实现欠驱动姿态控制。用两个SGCMG进行三轴控制时,将控制系统分解为控制律设计和操纵律设计两部分,来实现角速度稳定和姿态角稳定。通过卫星姿态动力学方程和运动学方程,分别设计状态反馈控制器和反步法控制器;再进行SGCMG的操纵律设计。结合所设计的控制律和操纵律,能够实现基于SGCMG的欠驱动卫星姿态控制,数学仿真验证了该算法的有效性。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。     

基于模态观测器的挠性航天器姿态控制

针对带有挠性附件航天器的姿态跟踪问题,提出了基于挠性模态观测器的滑模控制律。采用混合坐标法建立挠性航天器动力学模型,构造挠性模态观测器观测挠性模态位移及其变化率。选择一类滑模面,用Lyapunov方法得出基于挠性模态观测器的滑模控制律,并给出了稳定性证明。分别在变速率姿态跟踪,恒速率姿态跟踪和零速率姿态跟踪的情况下进行了仿真。仿真结果显示,与一般的滑模控制律相比,提出的控制律能够有效提高姿态控制的稳态精度,减小挠性模态振动对姿态控制的影响。     

一种改进的SGCMGs奇异鲁棒伪逆操纵律算法

以单框架控制力矩陀螺（SGCMG）为卫星动量交换机构,基于建立的姿态控制系统与SGCMG系统的动力学模型,设计零动量卫星的PD（比例微分）解耦姿态控制律。为逃避奇异,提出了一种改进的单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）奇异鲁棒伪逆操纵律算法。某航天器姿态控制仿真结果表明：改进算法可避免奇异,算法有效性得以验证。     

基于自适应模糊估计器的卫星容错控制系统

针对姿态控制系统出现故障对卫星稳定性和控制性能的不利影响,本文提出了一种基于自适应模糊故障估计器的全局动态滑模变结构容错控制算法。设计了一个自适应模糊估计器对系统中的故障函数在线进行估计,通过将估计所得的故障函数引入控制律中,对未知故障进行补偿。为了使得系统响应对外部干扰具有全局鲁棒性,本文为控制器设计了一种全局动态滑模面。采用Lyapunov方法证明了在线故障估计器和控制器的稳定性,并通过仿真进行了验证。仿真结果表明,故障估计器能够很好地对故障进行估计,保证控制器在故障情况下具有良好的动态性能;控制器对某卫星具有良好的控制精度,并且对外界干扰有较强的鲁棒性。     

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。     

基于伺服机构饱和抑制的模糊滑模控制方法

以高超声速飞行器为研究对象,设计了一种模糊变增益滑模姿态控制器。在控制器的设计中,应用动态逆方法对控制对象的俯仰、偏航和滚转通道进行解耦处理。通过滑模变结构控制方法保证被控系统的鲁棒特性。为了抑制伺服机构饱和,基于专家控制经验设计了滑模控制器增益模糊控制规则。通过仿真验证,证明了本文设计的控制方法在高超声速飞行器姿态控制和伺服机构饱和抑制两方面的有效性。     

可重复使用飞行器归一化复合控制系统设计

以可重复使用飞行器（RLV）的姿态控制系统为研究对象,提出一种基于归一化方法的新型复合控制系统设计方法。对RLV三自由度姿态动力学模型中的气动控制量和反作用控制系统（RCS）控制量分别进行归一化处理,建立RLV复合控制的归一化模型。在此基础上,通过对归一化模型的输入矩阵中同种执行机构控制阈值的设计,获得两种异类执行机构复合控制的切换条件,并进一步修正了归一化复合控制模型。基于积分型终端滑模控制方法,设计了可重复使用飞行器的复合控制系统,并采用广义逆的方法,直接将控制分配融合到控制律的设计中来,实现控制律和控制分配的一体化设计,不需要优化算法,减少了控制系统的计算量。最后,对可重复使用飞行器姿态控制系统进行数学仿真,不仅校验了采用归一化方法设计的复合控制系统的有效性,而且与采用线性规划优化控制方法具有相同的姿态控制效果。     

绳系太阳能发电卫星姿态机动的主动振动控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和基于绳中张力的主动振动控制技术相结合的复合控制方法。建立了绳系太阳能发电卫星系统的动力学方程,并基于任务函数控制算法设计了主控制器保证卫星姿态的渐近稳定和挠性结构振动的衰减性;考虑到绳的非线性特性,基于任务函数控制算法设计了绳系卫星系统的主动振动抑制辅助控制器来抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性。将该方法应用于绳系卫星的大角度单轴回转机动的仿真研究,结果表明:该方法不仅能够使绳系卫星完成姿态机动,而且能够有效地抑制太阳能板的振动。     

一种超静卫星动力学建模及控制方法

针对Stewart超静卫星载荷和星体平台在姿态控制时存在平动和转动耦合问题,提出一种基于广义动量定理,反映载荷质心相对整星质心平动和转动耦合因素的动力学建模方法。由于载荷质心存在平动位移,极易造成Stewart平台支杆行程饱和,甚至发生碰撞。为避免支杆行程饱和,设计了具有平动前馈补偿控制的载荷控制器和具有支杆去饱和控制的星体平台控制器。通过3种姿态控制模式验证了控制器的正确性。仿真结果表明,在星体平台姿态实现10″控制精度的基础上,通过Stewart平台高精度指向控制,实现载荷0.1″指向控制。星体平台和载荷控制器在3种姿态控制模式下都能够有效实现支杆去饱和控制,避免发生机械碰撞。     

基于误差修正的直接力／气动力双层姿态控制设计

针对直接力／气动力复合姿态控制问题,将具有扩张观测器的动态逆控制与最优控制相结合,设计了一种基于误差修正的直接力／气动力复合控制双层姿态控制方法。该控制方法以气动力控制为主,将滑模变结构控制与动态逆控制相结合进行气动力控制,通过引入扩展观测器对控制系统中的不确定干扰进行估计与补偿,以提高控制系统的鲁棒性;在此基础上,基于最优控制方法进行直接力控制设计以实现跟踪误差快速修正,达到提高系统响应速度的目的。与气动力单独控制的仿真结果对比表明,该复合控制算法能够有效改善系统的动态响应特性。     

基于自适应模糊滑模的卫星姿态控制方法

研究了对地观测卫星的非线性姿态控制方法.建立了对地观测卫星基于四元数的误差姿态运动学方程和姿态动力学方程.设计滑模变量,用滑模变结构控制保证系统的稳定性和对强干扰的鲁棒性,用自适应模糊系统消除滑模控制中固有的控制变量抖振.用非自治系统的Lyapunov稳定性理论分析证明了设计的闭环系统为一致渐进稳定.数值仿真结果表明:设计的控制方法在大角度姿态随动和受较大时变干扰力矩作用时均有良好的控制效果.     

空空导弹大角度姿态推力矢量控制研究

为研究具有大离轴角及越肩发射能力的先进空空导弹敏捷转弯方法，研究了空空导弹的大角度姿态机动控制律。利用时间尺度分离的方法将导弹的姿态动力学和运动学系统分别看做快子系统和慢子系统。用李亚普诺夫方法设计了慢子系统控制律。利用动态逆方法设计了快子系统控制律。分析了控制系统的鲁棒性和稳态精度。仿真结果证明了所提控制方法能够大大减小空空导弹大角度姿态机动时各种力矩干扰的影响。最后给出了采用姿态控制实现的越肩发射的仿真结果。     

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。     

欠驱动航天器编队重构的切换神经网络控制

针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利用径向基神经网络(RBFNNs)近似动力学系统中的不确定项,自适应滑模控制器在活跃区域外工作,利用自适应律来估计近似误差上界,并采用李雅普诺夫方法证明了闭环系统稳定性。数值仿真结果表明切换神经网络控制器可在欠驱动条件下实现编队重构,与线性滑模控制器相比,实现了控制器快速、高精度、强鲁棒等控制性能。     

面向刚柔耦合卫星的有限时间输出反馈姿态控制

针对进行大角度快速机动的刚柔耦合卫星,提出了有限时间控制方法。首先在考虑卫星本体运动与柔性附件变形耦合效应的情况下,建立一次近似刚柔耦合动力学模型。其次假设柔性附件振动信息可测,考虑外部干扰和转动惯量不确定性,基于非奇异快速终端滑模(NFTSM)原理,设计了有限时间全状态反馈控制器,根据Lyapunov原理证明其有限时间稳定性;进一步考虑柔性附件振动信息不可测的实际情况,设计了非奇异快速终端滑模动态输出反馈控制器,该控制器仅利用角度和角速度信息就可以实现有限时间快速姿态稳定。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,并通过与现有文献中控制算法进行对比,验证了本文设计的输出反馈控制算法的有限时间快速稳定特性。