一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

带伸缩挠性附件航天器的自抗扰控制律设计

研究了利用自抗扰控制器设计带伸缩挠性附件航天器的姿态控制问题.根据自抗扰控制器可以动态补偿系统模型扰动的特点,针对挠性附件伸缩条件下强耦合、强非线性模型进行了控制律设计.仿真结果显示,系统具有良好的动态、稳态性能和振动抑制能力.     

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。     

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。     

参数不确定挠性航天器的姿态跟踪控制

许多空间飞行任务需要挠性航天器的姿态跟踪控制。由于燃料消耗和柔性附件展开等原因,挠性航天器的惯量矩阵并非确定的常值矩阵,本文研究惯量矩阵未知时挠性航天器的姿态跟踪控制问题。基于惯量估计器设计了非线性反馈控制器,使航天器跟踪惯性空间的目标姿态角速度。通过构造Lyapunov函数并利用Barbalat引理证明了控制系统的全局渐进稳定性。最后进行了数值仿真以验证控制器的有效性。     

一种带精确补偿的卫星姿态快速机动控制方法

针对挠性卫星姿态敏捷机动中，挠性模态和星体转动惯量不确知，进而影响前馈补偿的有效性的问题，提出一种将非线性状态观测器和转动惯量辨识相结合的精确补偿控制方法。证明了一般挠性卫星动力学的非线性项满足Lipschtiz条件，可引入非线性观测器，实现了挠性模态的准确估计。设计了一种基于角速度最优阶拟合的转动惯量校正方法，进一步提高前馈补偿的精度和姿态机动的快速性。数学仿真对比结果表明：本文所提的精确补偿控制方法，能够有效减少挠性附件振动和转动惯量不准确对姿态控制的影响，提高姿态控制的响应速度，满足挠性卫星机动过程的快速性和稳定性，适用于挠性卫星的姿态敏捷机动控制。     

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。     

控制输入饱和的挠性航天器姿态机动智能鲁棒控制

针对挠性航天器带有执行机构饱和的姿态控制问题,提出了一种将自适应变结构和智能控制相结合的智能鲁棒控制方法。首先,在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上,针对挠性模态不可测的特点,给出了仅利用输出信息的智能自适应变结构输出反馈控制器的设计方法,其中利用神经网络控制来补偿执行机构饱和非线性和采用自适应控制技术克服确定不确定性的界的困难,并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及系统的稳定性。最后,将该方法应用于挠性航天器的姿态机动控制,在反作用飞轮存在饱和特性约束的情况下,完成姿态机动的同时,可有效地抑制挠性附件的振动。
     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

控制受限的挠性航天器姿态机动自适应变结构输出反馈控制

针对挠性航天器飞轮输出力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的自适应变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及自适应变结构输出反馈控制器设计的方法，并采用Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的控制方法应用于挠性航天器的姿态机动控制，并与传统的控制方法进行比较。数值仿真研究：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，有效地抑制挠性附件的振动；此方法具有设计简单、易于实现和鲁棒性好等特点。     

带快速大角度机动附件的卫星在俯仰平面内的运动控制与稳定性研究

研究一类带快速、大角度机动附件的卫星本体的控制与稳定性问题。给出了一类附件作快速、大角度机动时卫星在俯仰平面的动力学方程。采用传统的PD控制,并证明了类闭环系统的一类线性时变系统是指数稳定的,同时证明了在有界激励下,该系统仍能保持稳定。最后仿真验证了分析的正确性。     

Transient attitude dynamics of satellites with deploying flexible appendages

The paper presents a general formulation for librational dynamics of satellites with an arbitrary number, types, and orientation of deploying flexible appendages. The generalized force term is incorporated making the formulation applicable to a wide variety of situations where aerodynamic forces, solar radiation, earth's magnetic field, etc. become significant. In particular, the case of a beam-type flexible appendage deploying from a satellite in an arbitrary orbit is considered. The corresponding nonlinear, non-autonomous equations for in-plane and out-of-plane vibrations are derived, allowing for the variation of mass density and flexural rigidity along the length with time dependent deployment velocity and spin rate. Next, the attention is focused on the linearized analysis of the in-plane vibrational equation using the assumed-mode method and its substantiation through numerical integration. Finally, the paper presents results for both steady-state and transient attitude behaviour for a representative gravity gradient configuration for a range of initial conditions and system parameters. Results show the combined effect of flexibility and deployment on the dynamics of the system to be substantial. Disturbance of the appendage can excite large amplitude librations. On the other hand, the converse situation is not necessarily true. Furthermore, Coriolis loading, induced by the extending appendages, can become a limiting factor in arriving at a deployment strategy; an effect not pointed out in the literature.     

带梁式附件航天器姿态动力学的行波模型

将带梁式柔性附件航天器的附件振动作为波动研究。将附件按物理特性的差异划分成单元，弹性波在每一个单元内传播，并在结点处反射、散射。通过考虑单元间的边界条件可以得到姿态动力学的解析模型，并由此可以获得外扰动和姿态角到附件弹性位移之间的传递特性。与传统的以混合坐标表示的模型相比，此模型能够获得更全面、更精确的姿态动力学特性。     

柔性航天器自由飞行状态系统基频的估算方法

首先分别采用部件模态和系统模态建立柔性航天器在轨运行状态下的动力学方程；重点推导了航天器系统模态与其部件模态之间的模态恒等式，得到了由部件模态计算系统模态频率的一般公式；然后结合目前航天器的常见构型，对一般公式进行合理简化，得到了估算航天器系统基频的简化公式；最后给出了简化公式的工程应用算例。     

弹性自驱动卷筒式伸杆机构展开刚度分析及校验

针对弹性自驱动卷筒式伸杆机构(STACER) 的展开刚度问题，分析了卷筒式伸杆机构的工作原理，基于等效连续体模型推导了卷筒式伸杆机构弹性卷筒的构型参数与刚度的关系式，分析了弹性卷筒末端螺旋角、末端半径、带厚、带宽对展开刚度的影响。分析结果表明：(1)末端半径的增大能同时提高弹性卷筒的一阶频率和比刚度，而带宽的增大将导致弹性卷筒的一阶频率和比刚度均降低;(2)弹性卷筒的一阶频率随带厚的增加近似线性增大，但比刚度随带厚的增大而近似按双曲线规律下;(3)弹性卷筒末端螺旋角在62°~75°时，弹性卷筒的比刚度可获得最优值。卷筒式伸杆机构的刚度测试结果与理论分析结果基本一致，校验了理论分析方法的有效性。     

一种基于有限时间理论的抗饱和制导律设计方法

针对制导过程中一些状态可能进入饱和进而影响系统性能的问题,结合制导系统的特点,在有限时间理论框架下提出一种抗饱和制导律设计方法。首先以矩阵不等式的形式给出了保证有限时间有界且有限时间输入输出稳定的充分条件;而后在此基础上研究了基于有限时间理论的抗饱和制导律设计方法。此方法利用事先给定的有限时间区间和加权矩阵函数刻画系统的动态品质需求,同时能在理论上严格保证系统状态有界,仿真结果也表明在此方法设计的控制器作用下,系统能在有限时间内使视线角速率趋近于零,同时加速度亦不超过物理限制。     

带柔性伸缩附件航天器几何非线性振动稳定性

研究由中心刚体和可伸缩柔性附件组成的非线性刚柔耦合系统，不同于大多数文献只研究柔性附件的横向弯曲变形对系统动态特性的影响，同时考虑了柔性附件的拉伸变形、截面转角变化同弯曲变形的相互耦合作用，并且以非线性几何关系作为基本出发点，建立了伸缩运动同柔性变形、姿态运动之间的非线性耦合动力学模型，然后基于能量积分和动量矩积分构造首次积分，分析了非线性耦合系统的运动稳定性。     

Optimal control of the Shuttle-Tethered-Subsatellite system

Alternate control laws based on an application of the linear regulator problem are developed for possible use in the operation of the Shuttle-Tethered-Subsatellite system. Control is assumed to be provided only by modulating the tension level in the tether as a function of the difference between actual and commanded tether line length, length rate, in (orbital) plane swing angle and swing angle rate. Necessary and sufficient conditions for stability of the (linear) system motion in the vicinity of its nominal local vertical orientation are developed. By proper selection of the state and control penalty matrices it is possible to obtain faster responses with no increase in maximum power levels for use in station keeping when compared with alternate control strategies. The weighting matrices are adjusted in a piecewise adaptive manner to provide control law gains in order to achieve a smooth deployment history. Successful retrievel is dependent mainly on the initial conditions and the rate at which the commanded length is reduced.     

Dynamics of the orbiter based construction of structural components for space platforms

A relatively general formulation for studying liberational dynamics of a large class of spacecraft during deployment of arbitrarily oriented beam and plate type flexible members has been developed by the authors. The formulation is applicable to a variety of missions ranging from deployment of antennas, booms and solar panels to manufacturing of trusses for space platforms using the Space Shuttle. The governing nonlinear, nonautonomous and coupled equations of motion are extremely difficult to solve even with the help of a computer, not to mention the cost involved. To get some appreciation as to the complex interaction between flexibility, deployment and attitude dynamics as well as to help pursue stability and control analyses, the procedure is applied to the Space Shuttle based deployment of plate-like members. Results suggest substantial influence of the flexural rigidity of the appendages, deployment velocity, initial conditions, and appendage orientation on the system response. Deployment maneuvers in conjunction with a typical controlled time history of permissible liberational rates suggest flexible plate members to be stable. In general, the instability is triggered through roll excitation leading to unbounded yaw due to coupling. The results should prove useful in planning of the Orbiter based experiments aimed at studying dynamics and control of flexible, deployable structural components needed in construction of space platforms.     

一种飞行器最优末制导律研究及仿真

为使再入飞行器攻击目标时获得最大毁伤效果,基于弹目相对运动方程,并考虑落角等多约束条件,用线性二次型(LQR)最优控制的黎卡提方程,设计了一种新的最优末制导律,并给出了零阶无时延系统的近似表达式。典型弹道和不同约束条件下的仿真结果表明:该末制导律有较优的精确性、有效性和弹道性能。