Decentralized sliding-mode control for spacecraft attitude synchronization under actuator failures

This paper examines attitude synchronization and tracking problems with model uncertainties, external disturbances, actuator failures and control torque saturation. Two decentralized sliding mode control laws are proposed and analyzed based on algebraic graph theory. Using Barbalat׳s Lemma, it is shown that the control laws guarantee each spacecraft approaches the desired time-varying attitude and angular velocity while maintaining attitude synchronization among the other spacecraft in the formation. The first controller is designed in the presence of model uncertainties, external disturbances, and actuator failures. The results are extended to the case with control input saturation in the second controller. Both control laws do not require online identification of failures. Numerical simulations are presented to show the effectiveness of the proposed attitude synchronization and tracking approaches.     

导弹协同攻击编队自适应滑模控制器设计

Aimed at the need of formation control of missile cooperative engagement, the adaptive sliding mode control theory is introduced to solve the controller design problem of formation based on the leader follower approach. Feedback precise linearization based on differential geometry theory is used to linearize the nonlinear motion model of missile and system model with follower track errors is formulated. In traditional leader follower approach, if the leader moves too fast due to the control saturated, the followers will not be able to track the desired position to keep formation. In order to overcome the disadvantage, an idea of speed control for the leader is introduced to guarantee formation keeping. Finally, an adaptive sliding mode controller is designed to overcome the problem of control input constraints. Theoretical analysis demonstrates that tracking error asymptotically converges to zero. Simulation results show that the leader is able to follow the desired path and the controller can help every missile configure desired formation. The simulation results verify stability and robustness of the formation controllers.     

火箭大偏航入轨双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制

为实现参数不确定和扰动下运载火箭大偏航入轨过程高精度姿态稳定控制,提出了一种双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法。首先基于运载火箭飞行动力学方程构建了面向控制的姿态模型;然后分析模型中存在的复合扰动,构建双回路扰动观测补偿滑模控制框架;通过引入有限时间收敛微分器、观测器和滑模控制器,实现了运载火箭姿态控制回路对姿态指令的高精度快速响应。该方法能够有效观测并补偿同时存在的匹配和非匹配扰动项,提高运载火箭姿态控制系统对参数不确定的适应性。通过对比传统PID控制方法,充分验证了双回路扰动观测补偿有限时间收敛滑模控制方法的良好性能。     

控制受限的编队航天器鲁棒自适应控制

研究了考虑控制受限的编队航天器鲁棒自适应轨道跟踪控制问题。针对航天器编队飞行系统中控制受限、外部扰动和模型不确定性的情况,利用反步控制方法和指令滤波设计提出了一种鲁棒自适应控制策略。指令滤波器用于补偿控制受限对于控制器的影响,同时设计了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。和滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。仿真结果表明所设计的控制器既能实现高精度的编队飞行跟踪控制,又能保证控制受限的要求。     

自适应RBF Terminal在精密实时跟踪控制中的应用研究

进行空间对接、空间光通信以及空间对抗等,需要在卫星间实现精确的捕获跟踪瞄准( Acquisition, Tracking, Pointing, ATP)。提出了用自适应RBF变结构控制方法实现捕获跟 踪瞄准系统中跟踪子系统的精密实时跟踪控制,以提高系统的性能。首先由Terminal滑模变 结构控制器实现快速稳定的跟踪,然后,通过自适应RBF神经网络对系统中不确定干扰的上 界进行估计。并且用李亚普诺夫方法证明了系统的稳定性和对参数变化的鲁棒性。最后,仿 真结果证明了方法的有效性。     

磁悬浮飞轮转子系统的快速Terminal滑模控制

针对磁悬浮飞轮(MSFW)高精度控制的要求,提出了磁悬浮飞轮转子的快速Terminal滑模控制(FTSMC)以实现其鲁棒控制。建立了MSFW动力学方程,对MSFW受控自由度引入交叉反馈设计实现了各自由度解耦,分析并选取了三阶非线性微分跟踪器得到所需的微分信号,设计了快速Terminal滑模控制器,并利用Lyapunov函数证明了该控制系统的稳定性。仿真结果表明,与采用普通滑模控制相比,该控制系统具有状态响应快、系统状态在设定时间内迅速收敛以及抖振小等特点。     

时变干扰下欠驱动AUV水平面轨迹跟踪的反步滑模控制

针对水下自主航天器AUV水平面的轨迹跟踪问题,建立时变外界干扰条件下的运动学模型以及动力学模型,将地面误差变量转换为艇体坐标变量,并推导得出其误差方程。基于Lyapunov稳定性理论研究反步滑模控制的相关算法,设计出时变干扰下的欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制器,最后分析了闭环控制系统中误差信号受到扰动时跟踪误差的敛散性。利用MATLAB/Simulink软件进行仿真实验,得出时变干扰作用下AUV对期望轨迹的跟踪情况,经实验验证本文设计的反步滑模控制器能有效地跟踪复杂轨迹,具有较强的稳定性和鲁棒性。     

基于变论域的导弹电液伺服机构自适应模糊滑模控制

针对导弹电液伺服机构的跟踪控制,提出了一种自适应变论域模糊滑模的设计方案。引入变论域自适应模糊控制器,在线调节输入变量论域和规则后件隶属度函数以逼近理想控制器,使控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型,确定模糊滑模补偿控制项,以补偿逼近误差并消除外部干扰的影响。仿真实验结果验证了该控制方案的有效性。     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题，考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素，为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪，提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式，使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器，并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益，以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

导弹电液伺服机构的变论域自适应模糊滑模控制

为减弱导弹电液伺服机构位置跟踪滑模控制(SMC)的抖振,提出了一种基于变论域自适应模糊滑模控制(AFSMC)方法。通过在线调节输入变量论域和规则后件隶属度函数,可在不影响滑模变结构控制鲁棒性的情况下有效削弱滑模切换控制产生的抖振。给出了相应的控制律。设计的控制系统具有良好的跟踪性能,提高了电液伺服机构的跟踪控制精度。仿真实验结果验证了该控制方案的有效性。     

面向非沿迹成像的姿态跟踪扩展观测器滑模控制

针对地面兴趣点不沿星下点轨迹的动态非沿轨迹成像问题,设计一种结合扩展状态观测器的非奇异快速终端滑模控制器。首先根据非沿轨迹成像模型的需求推导卫星姿态参考轨迹。其次,根据由误差四元数描述的跟踪误差运动模型设计了非奇异快速终端滑模控制律。考虑到干扰抑制,引入了扩展状态观测器来观测系统的总扰动,从而降低滑模控制律中的切换增益,削弱系统抖振。然后再用模糊自适应系统对切换项进行在线逼近,柔化控制信号,进一步减振。最后,对具有干扰和参数不确定的姿态控制系统进行了数值仿真,结果表明该方法收敛速度快,控制精度高。     

Optimal satellite formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces

The inter-satellite electromagnetic forces generated by the magnetic dipoles on neighboring satellites provide an attractive control actuation alternative for satellite formation flight due to the prominent advantages of no propellant consumption or plume contamination. However, the internal force nature as well as the inherent high nonlinearity and coupling of electromagnetic forces bring unique dynamic characteristics and challenges. This paper investigates the nonlinear translational dynamics, trajectory planning and control of formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces. The nonlinear translational dynamic model is derived by utilizing analytical mechanics theory; and analysis on the dynamic characteristics is put forward. Optimal reconfiguration trajectories of electromagnetic force actuated formation are studied by applying optimal control theory and the Gauss pseudospectral method. Considering the high nonlinearity and uncertainty in the dynamic model, an inner-and-outer loop combined control strategy based on feedback linearization theory and adaptive terminal sliding mode control is proposed with finite-time convergence capability and good robust performance. Theoretical analysis and numerical simulation results are presented to validate the feasibility of the proposed translational model, reconfiguration trajectory optimization approach and control strategy.     

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。     

自主学习干扰观测器驱动的重复使用运载器再入段滑模控制

针对重复使用运载器(RLV)再入段的姿态控制问题，设计一种具有自主学习干扰观测器(SLDO)的滑模控制器。基于奇异摄动理论及时标分离原则，将RLV的姿态动力学方程划分为外环和内环子系统。根据RLV再入段模型不确定性和外部干扰均随时间变化、不可忽略且无法预知边界等特点，结合2型模糊神经结构、误差反馈学习架构以及滑模控制(SMC)理论，提出一种新型在线自主学习干扰观测器。设计基于SLDO驱动的多元超螺旋滑模控制器，完成对再入段姿态的跟踪。最后，针对6自由度RLV模型进行了仿真分析，仿真结果证明了控制方法的有效性以及鲁棒性。     

BTT导弹的自适应滑模反演控制设计

针对具有非匹配不确定性的BTT导弹非线性动力学模型,结合反演控制、自适应控 制和 滑模控制方法,设计了一种新颖的BTT导弹自适应反演滑模控制器。反演设计的每一步中均 采用具有范数型切换函数的连续滑模控制律,并采用自适应算法对不确定性的上界进行估计 。将虚拟控制量的导数作为不确定性处理,利用自适应滑模控制的鲁棒性对其进行补偿,解 决了“计算膨胀”问题,简化了控制系统的设计,并且设计中无需事先已知气动参数摄动 的上界。采用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差最终有界。仿真结果显示了本文设计方法 的有效性。

     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

控制力矩陀螺磁悬浮转子的指数趋近积分滑模控制研究

针对微重力、动框架等多源扰动下磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承转子系统的强非线性、参数摄动及未建模动态等问题,开展控制力矩陀螺的磁轴承转子鲁棒控制研究。建立了磁轴承转子轴向通道动力学模型与电磁力工作点线性化模型,分析了系统参数摄动及未建模动态,并在此基础上提出了一种非线性系统指数趋近积分滑模控制方法,设计了含有电流及位移的积分滑模平面,采用指数趋近律与饱和函数抑制抖振实现到达阶段滑模控制律。实验结果表明：采用该方法可有效抑制滑模的抖振现象,参数摄动时系统具有较佳动态性能,同时在转子转动、框架工作时保证系统良好鲁棒性。     

临近空间高超声速飞行器鲁棒自适应控制方法

提出了一种新的将自适应滑模变结构控制与动态逆控制组合的鲁棒自适应的控制方法,用于临近空间高超声速飞行器的再入阶段飞行控制系统设计。用内外环动态逆控制将非线性飞行器对象近似解耦成不确定的3通道一阶线性系统,将所有不确定性转化为匹配的逆误差;由自适应滑模变结构控制给出动态逆的输入信号,消除逆误差的影响,保证对制导指令的鲁棒跟踪。某高超声速飞行器临近空间再入的六自由度仿真结果表明:控制器有较好的鲁棒性和跟踪性能。     

编队卫星姿态的自适应协同控制

研究了无向信息交互条件下的多卫星姿态同步和跟踪问题,分别在模型参数精确已知和存在模型参数不确定性的情形下设计分散式协同控制算法。当模型参数精确已知时,基于滑动模态变量设计的协同控制力矩,实现了编队卫星姿态的同步机动,即保证编队卫星姿态的同步,并同时跟踪期望的时变参考姿态轨迹。当在轨卫星存在模型参数不确定性和常值未知扰动力矩时,提出了一种自适应协同控制律,仍能实现多卫星姿态的同步机动。基于Lyapunov-Krasovskii的分析表明,当星间链路存在任意未知的定常通讯时延时,本文设计的控制器有效。数值仿真算例验证了本文提出的控制算法。     

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。