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。     

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18％,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异，采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响，进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs，这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形SGCMGs对大型航天器的三轴姿态控制的可行性及有效性。     

控制力矩陀螺群奇异角动量超曲面仿真分析

用角动量超曲面仿真分析了控制力矩陀螺构型奇异的产生机理。基于控制力矩陀螺群动力学总角动量和输出控制力矩,讨论了典型构型奇异存在的状况,并确定了奇异点存在的判断依据,对五棱锥构型的显奇异和隐奇异进行了角动量超曲面仿真,发现能通过零运动脱离奇异状态的隐奇异点,为控制力矩陀螺群的操纵律设计提供了重要依据。控制系统数学仿真结果表明该分析法有效。     

A novel single thruster control strategy for spacecraft attitude stabilization

Feasibility of achieving three axis attitude stabilization using a single thruster is explored in this paper. Torques are generated using a thruster orientation mechanism with which the thrust vector can be tilted on a two axis gimbal. A robust nonlinear control scheme is developed based on the nonlinear kinematic and dynamic equations of motion of a rigid body spacecraft in the presence of gravity gradient torque and external disturbances. The spacecraft, controlled using the proposed concept, constitutes an underactuated system (a system with fewer independent control inputs than degrees of freedom) with nonlinear dynamics. Moreover, using thruster gimbal angles as control inputs make the system non-affine (control terms appear nonlinearly in the state equation). This necessitates the control algorithms to be developed based on nonlinear control theory since linear control methods are not directly applicable. The stability conditions for the spacecraft attitude motion for robustness against uncertainties and disturbances are derived to establish the regions of asymptotic 3-axis attitude stabilization. Several numerical simulations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controller and validate the theoretical results. The control algorithm is shown to compensate for time-varying external disturbances including solar radiation pressure, aerodynamic forces, and magnetic disturbances; and uncertainties in the spacecraft inertia parameters. The numerical results also establish the robustness of the proposed control scheme to negate disturbances caused by orbit eccentricity.     

磁悬浮动量轮的主动振动控制

由于同传统的滚珠轴承动量轮相比 ,磁悬浮动量轮的定子和转子之间没有接触 ,不需要润滑 ,允许高速旋转 ,而且磁悬浮动量轮可以提供框架控制能力 ,因而磁悬浮动量轮被认为是未来高精度航天器姿态控制的理想执行机构。然而尽管与传统动量轮产生干扰力矩的机理不同 ,磁悬动量轮本身还是存在一些振动源。如何消除这些振动源引起的扰动 ,即磁悬浮动量轮的主动振动控制 ,这是将磁悬浮动量轮应用于航天器姿态控制所要解决的主要问题。本文重点对自适应模型跟踪控制方法进行了介绍     

Singularity avoidance of control moment gyros by one-step ahead singularity index

A steering law of control moment gyros for spacecraft attitude control by using one-step ahead singularity index is addressed in this paper. In some recent studies, the null motion approaches or singularity robustness steering laws have been extensively investigated to avoid singular configurations for a control momentum gyro (CMG) cluster. As a novel approach different from them, the proposed approach is based on optimization technique by minimizing the one-step ahead singularity index. Modified approaches are also presented in this paper. The proposed one-step prediction method ultimately gives an optimized solution of gimbal rates with advanced ability to avoid a singularity. A singularity index for reliable computation of a gradient vector is also introduced. Finally, performance of the proposed algorithm is demonstrated by numerical simulations.     

多体卫星复合控制物理仿真试验系统

对于具有星间链路天线的多体卫星而言 ,进行星体姿态和天线指向复合控制的地面物理仿真试验研究是一个重要课题。本文主要叙述利用单轴气浮台模拟卫星姿态运动 ,由天线框架驱动机构 (GDA)实物连接组成的多体卫星平面运动动力学环境下的物理仿真试验系统。     

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺（DGMSCMG）具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。仿真结果表明,干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明，提出的扰动力矩抑制方法是可行的，具有很强的鲁棒性。     

MSCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩建模与实验研究

在磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)中,由于陀螺耦合力矩的影响,使得陀螺框架系统的摩擦力矩随着陀螺输出力矩和框架角位置的不同而发生变化,为了实现控制力矩陀螺输出力矩的高精度控制,需要对摩擦力矩进行精确建模。对控制力矩陀螺框架系统进行了动力学研究,分析了摩擦力矩随陀螺输出力矩和框架角位置的变化机理和变化规律,并据此建立了磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的非线性摩擦力矩模型和非线性动力学模型。用实验数据对非线性动力学模型参数进行了最优最小二乘辨识,并用所得到的模型进行实际数据分析和仿真研究,仿真结果与实际实验数据非常吻合,验证了所建立模型的正确性和有效性。     

四轴型磁悬浮动量轮变结构控制

根据空间飞行器姿态控制用四轴主动控制型混合磁悬浮动量轮的动力学方程,采用变结构控制(VSC)法设计了一种多输入多输出系统控制器。二次型最优控制用于确定最终滑模运动方程,趋近律用于决定变结构控制输入,实现了磁悬浮动量轮快速稳定的鲁棒性控制。仿真结果表明,VSC的动静态特性较好,其滑模运动的不变性可有效消除陀螺力矩的影响,并能实现控制能量的优化。     

应用变速控制力矩陀螺的卫星姿态机动的非线性控制

研究了以变速控制力矩陀螺(VSCMG)作为执行机构的卫星多目标快速机动的控制问题。首先建立了带有多个变速控制力矩陀螺的航天器姿态动力学模型,采用修正的罗德里格斯参数(MRP)描述姿态运动。在考虑执行机构饱和、机动速率限制、控制带宽限制等情况下,设计了基于Lyapunov理论的非线性姿态反馈控制器。针对外部干扰会使控制力矩陀螺的框架角偏移其标称值的情况,采取磁补偿控制来保持框架角在一定范围变化。以采用VSCMG为执行机构的某卫星为例进行了数值仿真,仿真结果验证了提出的非线性姿态反馈控制器的有效性,采取的磁补偿控制也很好地抑制了变速控制力矩陀螺框架角的偏移。     

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动抑制方法研究

为了抑制谐波减速器运动误差对双框架控制力矩陀螺伺服系统速率平稳性的影响, 提 出一种角加速度反馈的控制方法。建立了带有谐波减速机构的陀螺框架系统的数学模型,对 谐波减速器的运动误差进行了分析。通过设计非线性微分跟踪器得到加速度信号构成加速度 反馈,对谐波减速器运动误差所造成的速率波动进行抑制。对框架伺服系统进行仿真,仿真 结果证明了该控制方法的有效性,在双框架磁悬浮控制力矩陀螺原理样机上进行了实验验证 ,实验结果表明,在5度／秒的转速情况下,使框架转速波动量减小了59％,显著提高了 转速精度.     

参数不确定SGCMG系统的鲁棒操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中，如果考虑框架伺服特性，往往假设系统的物理参数是确切已知的。为消除参数的不确定性对操纵性能的影响，设计了一种鲁棒操纵律。该操纵律仅采用系统物理参数的预估值，根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令，可直接计算出每个框架驱动系统所需的控制力矩。由于操纵律没有算法奇异，在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下，可使操纵误差指数收敛至零。同时，该操纵律对系统参数变化具有良好的鲁棒性。且形式简单．易于实现。对应用在航天器上的某4-SGCMG系统的仿真结果表明，上述操纵律是可行的。     

CE-4中继卫星使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法

针对嫦娥四号中继卫星动量轮频繁喷气卸载对其使命轨道Halo轨道的扰动问题，定性分析了卫星角动量累积规律和动量轮卸载对使命轨道构型的影响，给出了动量轮卸载前后角动量变化量与喷气卸载等效速度增量的关系，在角动量卸载预测的基础上，提出了一种使命轨道维持与动量轮卸载联合控制方法，通过偏置维持控制目标抵消控后动量轮卸载影响，达到延长轨道维持控制周期和节省推进剂的目的，给出了控制目标偏置量的求解方法。工程应用结果验证了方法的有效性。     

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。     

五棱锥SGCMGs失效时奇异构型几何分析及操纵律设计

单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异构型几何分析及相应的操纵律设计是其在使用中遇到的主要问题。针对五棱锥SGCMGs构型及其单只失效后的奇异情况进行几何分析,考虑五棱锥构型单只SGCMG失效后显奇异点深入角动量体内部这一特性,设计了一种既能充分利用零空间运动,又能实现显奇异点规避的SGCMGs操纵律。仿真分析结果表明:设计改进后的操纵律能在有效解决五棱锥SGCMGs构型中单只陀螺失效后带来内部复杂奇异问题的同时,实现控制精度的大幅提升。     

Analysis of a double gimbaled reaction wheel spacecraft attitude stabilization system

Three axis attitude stabilization of a satellite using a single spinning reaction wheel mounted on a two degree-of-freedom passively and actively torqued gimbal system is investigated. The passive control is assumed to be provided by a spring-loaded damper mounted on each of the gimbal axes, while active control results from both the wheel acceleration and the torque applied about the gimbal axes. The stability of the uncontrolled and passively controlled systems is investigated analytically. For constant wheel speed the pitch motion is decoupled from the roll-yaw and gimbal motions. Control laws for the roll-yaw motion are developed based on pole clustering and linear optimal control theory. For the pitch motion control laws are obtained based on classical second order system theory. Estimation techniques are applied to the roll-yaw system for the case when the complete state may not be directly observable (in the absence of a fine yaw position sensor).