基于干扰补偿的航天器直接自适应模糊控制

带有活动式有效载荷和挠性附件的大型航天器在动力学上具有非线性、大挠性、强耦合等特点,这给控制系统的设计带来了较大难度。其突出特点是要求控制系统在控制量受限的情况下克服各种未知复杂干扰力矩的影响。本文针对这类大型复杂航天器,提出了一种基于直接型自适应模糊逻辑和干扰补偿的控制方法。在控制律的设计中,将自适应模糊系统直接用作系统的主控制律,利用扩张状态观测器对模糊系统的逼近误差和内外干扰力矩进行观测并予以实时补偿。仿真结果表明了方法的有效性。     

基于解耦和动态补偿的卫星控制系统设计

针对带大型挠性单翼太阳帆板和偏置动量的三轴稳定卫星,研究如何消除星内外干扰对姿态控制精度影响的卫星控制系统的设计问题。首先对星内外干扰进行了数值分析,进而阐明了在经典控制方案中干扰力矩对姿态控制精度的影响,指出经典控制在克服干扰力矩对姿态控制精度影响方面存在的不足之处。然后根据卫星的动力学特点,提出并论证了在设定角动量交换系统标称值条件下基于解耦和动态补偿的卫星控制系统的设计方案。最后深入分析了在该方案下太阳帆板挠性模态的稳定性。     

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。     

无角速度测量的受扰挠性航天器姿态稳定控制

研究了无角速度测量信息挠性航天器在受到正弦干扰作用下的姿态渐近稳定控制问题.针对挠性航天器,为解决陀螺故障或无陀螺配置情形下无角速度测量的姿态控制问题,同时抑制正弦干扰影响,基于无源性方法和内模原理设计了仅依赖姿态测量的动态控制器,利用Lvapunov方法和LaSalle不变原理证明了无扰闭环系统的全局渐近稳定性,并对受扰系统进行了稳态分析,得出了稳定结论.数学仿真表现出所设计的控制律能较好的抑制干扰影响,渐近稳定受扰系统,验证了控制律的有效性.     

带可收缩挠性附件受控航天器稳定性分析

带可伸缩挠性附件受控航天器在附件收缩过程中可能因为收缩率设计不当导致系统不稳定,本文利用李亚普诺夫稳定性定理,推导出利用姿态角和姿态角速度反馈设计的PD控制律来实现可伸缩挠性附件在收缩过程稳定性控制的充分条件,对设计满足系统稳定性要求的收缩率和控制律具有指导意义。     

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。     

具有SGCMG系统的挠性卫星姿态机动控制及验证

针对挠性卫星在轨姿态快速机动的需求，开展了星体姿态机动控制方法及控制实现研究。基于建立的挠性卫星姿态跟踪控制误差方程，给出了PD控制与补偿控制相结合的姿态跟踪控制器形式；考虑系统实现的时延影响，利用经典频率分析方法选择了兼顾系统稳定性及宽带控制的控制参数；在控制具体实现中，采用一种新型的基于力矩矢量调节奇异规避操纵策略，克服常规鲁棒奇异规避操纵存在的框架“锁死”现象，在解决奇异规避的同时避免激发挠性振动。所提出方法的有效性通过了在轨验证。     

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。     

基于自抗扰技术的挠性航天器高精度指向控制

针对存在外部干扰和模型不确定性的挠性航天器,提出了一类新颖的基于自抗扰技术的控制方案,实现无姿态角速度反馈的航天器对目标高精度姿态指向控制。对目标相对姿态指向控制系统进行建模,引入一光滑连续秦函数,构造三阶扩张观测器,观测系统姿态角速度和总扰动,并利用其实现动态补偿线性化及扰动抑制。针对单框架控制力矩陀螺群作为执行机构常存在的奇异,引入零空间空转指令设计了一类奇异避免操纵律。将控制系统方案用于某挠性航天器模型,仿真结果验证了方案的有效性、合理性。     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

基于分块反步设计的飞行器姿态稳定鲁棒控制

采用分块反步设计思想,结合输入状态稳定性理论,获得了一种具有鲁棒性能的 飞行器姿态稳定控制方案。该方案可自然地处理姿态耦合问题,实现半全局姿态稳定控制, 并对外部扰动具有鲁棒性,可直接应用在燃气动力的情况。对某空间飞行器的姿态控制系统 进行了数值仿真,仿真结果验证了该方法的有效性。     

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。     

复杂航天器稳态控制性能估计

未来复杂航天器应该按照期望的指向精度和稳定度来设计恰当的姿态控制系统。本文在全面考虑测量噪声、对象不确定性、环境扰动、执行机构与控制器非线性的前提下 ,首先分析了控制参数对稳态控制品质的影响 ;然后在详细探讨了测量噪声传播效应的基础上 ,提出稳态控制精度和稳定度的估计方法 ;最后通过对不同的噪声、不确定性、摄动和非线性情形进行大量仿真验证 ,结果同估计分析完全吻合     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

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。     

多航天器反步滑模SO(3)协同控制

针对多航天器系统的姿态协同控制问题，基于特殊正交群(Special Orthogonal Group, SO(3))提出了滑模协同控制设计方法。结合有向通信拓扑，建立了多航天器SO(3)姿态模型。在此基础上研究了SO(3)上协同误差形式，提出了适用于协同控制器构造的SO(3)指令设计方法。为了解决姿态奇异问题，根据SO(3)姿态特性引入补偿项并设计了相应的滑模面，进一步采用反步法完成了SO(3)协同控制器设计，同时给出稳定性分析过程。提出的反步滑模方法保证了协同控制器在整个姿态空间内的适用性，使得多航天器系统能够实现稳定的姿态协同。文中采用两组多航天器系统仿真校验了所提协同方法的有效性。     

组合体航天器输入-状态稳定姿态接管控制

本文针对具有对抗性力矩输出能力的空间非合作目标,研究了基于输入-状态稳定理论的组合体航天器姿态接管控制方法。首先,建立了基于相互作用力矩实时计算的组合体姿态激励-响应映射关系,实现了对组合体航天器姿态运动的准确描述;然后,基于输入-状态稳定性理论设计了不依赖系统模型参数的姿态接管控制器并给出了参数选择范围,实现了对存在有界不确定对抗力矩非合作目标的姿态接管;最后通过数值仿真校验了控制方法的有效性。     

基于参数化外形的通用大气飞行器建模与分析

提出了一类翼身组合升力体外形通用大气飞行器(Common Aero Vehicle, CAV)的参数化外形建模方法,采用气动工程预估方法计算CAV的气动系数,拟合得到能用于再入飞行器制导与控制仿真的气动模型,并通过分析,得到该模型静稳定性、气动效率及气动控制特性等方面的结论。结合飞行器再入飞行的运动方程,选取平衡工作点,基于小扰动线性化模型得到系统特征根分布来分析其稳定性,发现固定姿态的滑翔飞行时系统有正半平面极点,需主动控制调节;为了分析机动性,提出了以星下点轨迹曲率求取CAV转弯半径的方法,可快速获取机动性评估与参考指标,结果表明,该模型具有较好的转弯机动能力。     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。