基于电磁力的集群航天器构形维持自抗扰控制

针对基于电磁力的集群航天器构形控制强非线性和模型不确定性的问题,提出一种无需线性化或解耦便能够实现构形维持的自抗扰控制方法(ADRC)。首先建立远场电磁力/力矩模型和集群航天器相对运动动力学模型;在此基础上,通过设计由最速跟踪微分器(TD)、非线性扩张状态观测器(NLESO)及非线性反馈控制律(NLSEF)组成的自抗扰控制器,实现集群航天器期望相对运动位置、速度的实时估计,同时能够对模型不确定性和外部干扰进行估计和补偿。仿真结果表明,本文设计的控制器能够实现基于电磁力的集群航天器构形维持高精度控制,满足集群航天器构形维持控制的控制要求,其快速性和抗扰性都明显优于有限时间控制(FTC)。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真

航天器长期在轨运行期间,空间磁场与其自身磁矩相互作用的累积,会对航天器的姿态造成较大影响,加重姿态控制系统负担,降低航天器的可靠性。文章分别针对航天器轨道计算及地磁场模型的使用,对航天器地磁干扰力矩数值的仿真进行了系统的研究,最终得到航天器在轨运行时地磁干扰力矩计算仿真方法。     

基于输出裕度的批量飞轮力矩优化分配策略研究

为解决传统航天器飞轮力矩分配策略会导致力矩分配不均而影响飞轮寿命的问题,建立了力矩分配问题的数学模型,对基于输出裕度的批量飞轮力矩优化分配策略进行了研究。首先,在考虑飞轮最大输出力矩受限情况下,推导出能量最优分配策略,以保证飞轮组的输出力矩方向不变;其次,为处理传统能量最优分配策略中可能出现的某个飞轮力矩过大而导致其寿命缩短的问题,提出了输出裕度概念,并建立了多目标优化模型,将多目标优化分配转为权系数的选择;再次,用权系数方法描述批量飞轮的性质,推导出一种系统能量和输出裕度双目标优化的分配策略。基于力矩输出裕度进行优化,可在优化航天器能量消耗的同时均衡各飞轮的输出力矩,节省能量并延长飞轮使用寿命,从而提高了航天器可靠性。针对八斜装飞轮的仿真结果验证了所提方法的有效性。     

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。     

考虑执行器安装偏差时航天器姿态稳定的控制分配

针对存在执行机构安装偏差和外干扰的航天器姿态控制问题,提出一类基于反步法的自适应滑模控制策略,该方法在实现姿态控制快速性和高精度的同时,能有效地避免因执行机构安装偏差引起的不确定性所导致的控制奇异现象。在此基础上,考虑到执行机构冗余特性,进一步提出一种基于能量最优约束二次规划的动态控制分配算法来完成期望指令到执行机构的指令分配,克服了传统伪逆法难以考虑的控制力矩位置和速度约束,减少了系统功耗,实现了分配后控制力矩的平稳性和能量最优。最后,将提出的控制方案应用于某型轮控刚体航天器的姿态稳定任务中,仿真结果验证了提出方法的可行性、有效性。     

航天器环境干扰力矩的闭环辨识与补偿

研究引入干扰力矩辨识的方法提高三轴稳定航天器在稳态运行期间的高精度指向控制问题.基于航天器的稳态输出数据和系统传递函数,对环境干扰力矩的完整模型进行闭环辨识.其中采用改进的特征系统实现相关算法和多元线性回归法辨识环境干扰力矩的模型参数,最后使用前馈控制对所辨识的环境干扰力矩实现在线补偿.分析和仿真结果表明,该方案能有效地克服不确定的环境干扰力矩对姿态稳定度的影响,提高在轨运行航天器的姿态稳定精度.     

考虑负载均衡的过驱动航天器推力器分配方法

以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小、推力器负载均衡等为设计目标,构建航天器推力分配混合优化模型,并将其转化为线性规划模型进行求解,提出了一种考虑负载均衡的航天器推力器动态分配算法。该算法在确保分配误差最小前提下,能够降低各推力器的最大分配推力之差,有效均衡各推力器总工作时长和开关次数,进而延长推进系统的整体工作寿命。进一步定义了表征负载均衡性能的推力平衡度和干扰敏感度性能指标,并在此基础上给出了一种分配算法负载均能能力的定量化评价方法。在仿真验证中,采用平衡度和敏感度对算法性能进行定量评估,结果表明该方法在保证控制性能和控制分配误差的前提下,能够有效均衡各推力器最大推力,提高了系统的平衡度和对扰动力矩的鲁棒性。     

双翼箱式航天器太阳光压干扰力矩模型

在设计航天器姿控系统时,需要充分考虑各种光照条件下航天器所受到的太阳光压干扰力矩。本文针对双翼太阳帆板、面板式天线阵、箱式主体构型航天器,采用几何方法,详细讨论了航天器各表面的受晒情况,推导了不同太阳光入射条件下航天器各面所受到的太阳光压力矩数学模型。为验证模型有效性,将其应用于某三轴稳定对地定向卫星姿态动力学仿真中,得到了相应的太阳光压干扰力矩曲线。     

基于能量最优解析解的飞轮磁卸载方法

为改善传统卫星飞轮磁卸载,提出了一种基于能量最优解析解的磁卸载法。根据在轨卫星所处地磁场强度的变化规律,将卫星磁力矩器产生的磁矩作傅里叶级数展开,按卫星飞行一圈所需卸载的角动量由最优控制理论求出三轴磁矩的解析解。证明了该卸载法的稳定性,估算了干扰力矩及其作用,讨论了轨道倾角的影响,并给出了小倾角时的修正飞轮卸载控制律。理论分析和仿真结果表明,该飞轮卸载法简单且节能,效果明显优于传统的磁卸载法。     

航天器姿态机动的鲁棒自适应控制器设计

针对存在未知惯量矩阵和外干扰力矩的刚体航天器姿态机动问题,将自适应反步法与非线性阻尼算法结合起来,提出了一种鲁棒自适应控制器。所设计的控制器实现了对航天器惯量参数的估计,克服了外干扰力矩引起的不确定性,保证了闭环系统的所有状态是全局一致最终有界的,使得航天器姿态机动误差收敛到系统平衡点的一个较小邻域。最后在Matlabs Simulink环境下对航天器姿态机动系统进行了仿真研究,仿真结果表明了提出的控制算法处理航天器姿态机动问题的有效性和可行性。     

航天器空间环境干扰力矩分析与仿真研究

针对航天器在轨运行时所受到的空间环境干扰力矩进行建模分析,并通过实时解算和矢量叠加的方式进行仿真研究,尤其对太阳光压力矩与大气阻力力矩的建模与仿真提出了新的方法,该方法通过建立光照面与迎风面的判断准则,准确地对太阳光压力矩与大气阻力力矩进行了估计。对各种空间环境干扰力矩的精确建模与仿真为航天器精确姿态控制设计及系统姿态控制方案和控制执行机构的选取提供了依据,文中提出的方法简单易用,工程实现性强,为未来的工程应用提供了一定的理论依据。     

磁力矩器在高低温变化环境下工作磁矩实时测试方法

采用赤道作图法等常规磁矩测试方法无法实现磁力矩器在热真空、热循环等空间环境模拟试验过程中的磁矩监测。针对这种情况,文章提出了一种通过磁通反演磁矩的测试方法。该方法通过建立磁力矩器的磁矩与通过测试线圈的磁通之间的对应关系数据库,进而根据测得的测试线圈内的磁通值来间接地得到磁力矩器的磁矩值,从而实现了磁力矩器在高低温变化环境下的磁矩实时测试。     

欠驱动刚性航天器旋转轴稳定研究

研究欠驱动刚性航天器受到干扰力矩作用时的旋转轴指向稳定控制问题。首先采用(w,z)姿态参数建立欠驱动刚性航天器的运动学方程,然后引入干扰模型,采用退步法和内模原理设计了一种新的控制律,并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了该控制律的全局渐近稳定性。理论分析和仿真结果都表明新的控制律能够实现旋转轴指向全局渐近稳定。     

有扰情况下欠驱动刚性航天器旋转轴稳定研究

研究欠驱动刚性航天器受到正弦干扰力矩作用时的旋转轴指向稳定控制问题。采用欧拉-泊松形式描述航天器的运动方程,然后分别针对轴对称情况和非轴对称情况设计控制律,并结合Lyapunov直接法和LaSalle不变性定理证明控制律的全局渐近稳定性。理论分析和仿真结果都表明新的控制律能够实现旋转轴指向全局渐近稳定。     

浅论航天器磁清洁

介绍了航天器磁清洁的重要意义,磁矩产生的原因;相应的金属材料和元器件的磁矩大小;减小磁矩的方法和磁矩测量方法;总体设计中对航天器磁矩的要求。     

带转动部件航天器的RBF神经网络滑模姿态控制

航天器在空间执行任务时必须按照一定的控制指令进行高精度的姿态控制.针对航天器上转动部件的运动会对姿态控制产生干扰的问题,推导了带有转动部件的航天器姿态动力学方程,并根据干扰力矩的特点,采用了一种对干扰具有自适应能力的RBF神经滑模姿态控制方法.仿真结果表明,该方法能有效克服转动部件运动产生的干扰,所设计的控制器有很好的控制性能和鲁棒性能.     

基于半监督极限学习机的控制力矩陀螺新奇性故障检测

控制力矩陀螺是现代航天器的重要执行部件,可以通过检测控制力矩陀螺的运行情况实现航天器运行状态的实时监测。但是在航天器实际飞行中,飞行故障发生的情况很少,在故障检测时往往因为故障数据缺失或者不足导致结果不准确,因此本文使用基于半监督极限学习机的新奇性故障检测解决控制力矩陀螺转子故障检测问题。新奇性故障检测方法针对故障类型缺失或者不足的情况,通过构建已知类型数据的训练模型来判断未知类型数据的类型,同时半监督极限学习机具备了参数设置少、网络训练速度快的优点,能够对故障进行实时检测。本文同时使用了变分模态分解和奇异值分解方法处理控制力矩陀螺转子的振动加速度数据。实验结果证明该方法能够有效处理控制力矩陀螺转子故障数据类型缺失时的检测问题。     

立方星带芯磁力矩器多目标优化设计与实现

针对立方星体积与功耗存在限制的情况下,如何得到磁矩大而体积小、重量轻、功耗低的带芯磁力矩器这一问题,采用多目标优化的方法进行磁力矩器的设计。首先,按照圆柱型磁芯上缠绕多层漆包线的结构,分别推导了磁矩、功耗与磁芯尺寸、漆包线直径以及绕线匝数之间的数学模型。其次,根据磁矩与功耗的数学模型,在质量与体积均存在约束的情况下,采用遗传算法对磁力矩器进行多目标优化设计。再次,根据带芯磁力矩器的磁感应强度与磁矩之间的关系,设计了磁矩的测试方法。最终,将所设计的参数进行了具体实现。对磁力矩器的测试结果可以看出,所设计的磁力矩器不仅输出磁矩线性度高、剩磁小,而且满足立方星标准的要求。所设计的磁力矩器在多颗立方星上的成功应用表明了该设计方案的有效性。     

基于参数在轨辨识的组合体航天器姿态控制技术

面向在轨服务提出了一种组合体航天器的参数在轨辨识与控制方法。针对辨识参数估计误差相对较大、环境存在干扰力矩以及控制输入受限的情况,设计了一种自适应变结构控制算法,实现组合体航天器对干扰和参数不确定的鲁棒性,并保证了快速和精确的响应。仿真结果表明设计方法有效,能满足控制指标要求。