绳系卫星安全捕获策略下的释放最优控制

安全捕获是绳系卫星系统空间应用的一个重要拓展。考虑系绳质量、系统质心变化及状态、控制约束,采用基于Lagrange方程的圆轨道条件下空间绳系网捕系统三维动力学模型。建立了安全捕获模型,推导得到零相对速度条件下的安全捕获末端条件。为保证方法的适用性,将基于Legendre伪谱法的连续时间最优控制问题离散为标准的非线性动态规划问题。最后在考虑释放控制前初始面外角偏差为5°的情况下,通过数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明：对于远距离释放条件下的安全捕获,系统质心变化不容忽视;最小能量与绳长加速度约束下的控制响应相比最小时间与面内角约束要更平滑。     

用弹性绳系系统进行空间捕捉的最优控制

研究如何从空间平台上释放绳系捕捉系统与被捕捉负载相交会,给出了交会机动可行点的求解过程.计入系绳弹性,采用高斯伪谱算法计算交会机动涉及的非线性最优控制问题.结果表明,在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力和捕捉系统上的推进力即可实现精确的交会控制.     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

稀疏拟谱最优控制法求解Goddard火箭问题

提出了一种新的基于直接转化法的求解基于常微分方程(ODE)和微分代数方程(DAE)的最优控制问题的数值方法.该方法通过Legendre-Gauss拟谱法同时离散化状态变量和控制变量,把最优控制问题转化为一个非线性规划问题,并利用改进的多相处理方法避免优化无控段,同时基于稀疏矩阵探索其一阶导数信息.数值结果表明,与传统的直接转换法相比,该方法是一种通用高效的精度较高的ODE/DAE最优控制直接数值求解法.最后,从工程观点出发,应用该方法成功求解了终端自由有路径约束的奇异最优控制问题Goddard火箭问题.     

一种基于线性近似的非线性系统模型预测控制方法

针对一类系统模型的输入输出函数不满足连续可导条件的非线性系统,设计了一种基于线性近似的模型预测控制方案。运用Stirling插值公式对非线性函数进行线性近似处理,并将模型预测控制性能指标重构为一个二次型最优化问题,通过对二次型最优化问题的求解得到了模型预测控制的最优控制序列。为了减少计算量,忽略了线性近似过程中产生的非线性高阶项。仿真结果表明,该模型预测控制方案控制效果满意,且具有降低控制能量消耗和缩短控制时间的优点。     

状态空间控制理论与计算中的几个问题——分析结构力学的观点

应用近年来发展的分析结构力学理论及保持哈密顿体系结构特征的精细积分算法,可以精确高效地求解最优控制和H∞控制中的系统设计和仿真问题。文中介绍了分析结构力学的基本内容、线性定常系统最优控制和H∞控制问题的求解以及输出反馈控制问题的变分原理和分离性原理。在此基础上,进一步介绍了非线性系统、时变线性系统、时滞系统、输入饱和系统的最优控制及分散H∞控制等方面的理论与计算问题。本文主要内容取材于作者最近完成的《状态空间控制理论与计算》一书,文中所讨论的问题都可以在基于精细积分的控制系统设计程序库(PIM-CSD)基础上求解。     

飞行器控制的伪线性系统方法——第一部分：综述与问题

首先将非线性控制方法归纳成三类：基于李雅普诺夫泛函的设计方法、基于最优控制思想的设计方法和以线性为主导的设计方法，并对此三类方法进行了简略的综述。然后进一步在此类划分的框架下概述了飞行器控制的非线性方法，并引入了伪线性系统的概念。最后介绍了卫星姿态与轨道控制、飞行器制导与控制中的六类典型飞行器控制问题的二阶伪线性系统描述。     

用于月球软着陆最优轨迹跟踪制导过程的模糊神经网络控制方法

软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理得出从近月点到月球表面的最优着陆轨迹为基础,给出一种基于模糊神经网络的非线性最优控制策略,使被控系统能够通过模糊神经网络的非线性映射能力实现某种最优的闭环制导控制。最后通过数学仿真验证了该控制策略的可行性与有效性。     

非线性递推最小模型误差估计

基于最优控制理论和两点边值问题的不变式嵌入法，提出了模型不确定性非线性性系统递推最小模型误差估计，并推导了估计算法。仿真例说明，该方法是模型不确定性非线性系统状态递推估计的有效方法。     

航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。     

基于混合法和多打靶法的有限推力航天器协同交会优化(英文)

有限推力航天器的协同交会问题是一个高维非线性的最优控制问题,传统求解方法难以收敛到最优解或者时间花费巨大。采用混合法和多打靶法构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件,求解了反平方力场中的最优控制数值解。推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同的算例表明,这种方法可极大地提高收敛性,快速有效地求解有限推力航天器的协同交会问题。     

伴随卫星的燃料-时间优化回收

伴随卫星回收是伴星应用中的一项主要技术。航天任务需求对伴星回收问题不仅提出了最省燃料要求，而且提出了最小时间要求。本文设计了一条稳定的燃料-时间优化回收轨道。从相对运动的Hill方程出发，给出伴星回收问题描述，阐述回收轨道设计思想及稳定回收条件，提出一种有效的螺旋式回收策略，探讨参数确定方法，并对回收轨道的特点和稳定性进行分析，最后研究了燃料消耗量与回收时间及初始相位的关系。仿真结果表明，利用螺旋回收策略，可以保证伴随卫星快速、稳定回收，且能在燃料消耗量与回收时间之间寻求最佳折衷。     

实现快速轨道大机动的混合制导策略研究

主要研究了在有限推力情况下远程快速轨道交会的制导控制问题,提出了采用速度增益制导结合E制导的混合轨控方案实现两冲量轨道精确交会。通过仿真验证,各方向制导位置控制精度在100 m量级,各方向速度控制精度在m/s量级,2种制导方法能很好地实现交班转换。该方法工程可实现性好,可满足远程快速轨道交会制导要求。     

绳系卫星系统交会对接的应用与设计

文章介绍了绳系系统交会对接这项新技术在空间中的应用。主要包括:空间站利用系绳与航天器交会对接,实现为空间站提供各种供给;利用绳系系统与空间碎片对接,可回收或转移空间碎片,保护空间环境;利用一级或多级的绳系系统组成轨道转移系统,实现向地球同步轨道或火星轨道上转移和运送有效载荷。文章还介绍了绳系交会对接系统的设计,包括系统的一般控制方法和算法以及系统的结构设计。随着各项相关技术的发展,绳系卫星系统交会对接将发挥更大作用。     

有限推力航天器双主动交会的最优控制

研究了两异面椭圆轨道的有限推力航天器在协同轨道机动以完成交会任务(双主动交会)时的最优控制问题.构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件.针对推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同情况,采用直接配置法和序列二次规划法求解了反平方力场中的最优控制数值解.考察了不同初始参数对双主动交会最优控制历程的影响,并将双主动交会形式与主被动交会形式进行了对比.结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会在减少燃料消耗或缩短交会所需时间方面具有明显优势.     

载人飞船交会对接及组合体模式下的数据管理

根据有人参与的交会对接任务,其飞行器间通信、遥测模式多变和手控参与多的数据管理特点,文章从两飞行器间的总线通信与并网管理、遥测管理、手控支持等方面,提出了在自主交会对接过程中和组合体状态下的数据管理解决途径,经过成功执行我国首次交会对接飞行任务,验证其合理可行,可靠性和安全性高,可满足交会对接数据管理需求。     

战术导弹防御中的拦截交会角约束研究

由于拦截器侧向发动机纠偏能力的限制及TBM的初始位置误差的影响,拦截交会角需要满足一定的范围才能命中目标.本文研究了战术导弹防御的拦截交会角约束问题,提出了一种运动学几何分析方法,推导了TBM的初始位置误差引起的横向偏差与拦截交会角的解析关系,分析了拦截交会角对末制导段纠偏的影响,确定了可命中目标允许的拦截交会角范围.通过仿真计算和分析,论证了该方法的有效性.     

基于区间样条小波的太阳帆轨迹优化算法

针对太阳帆轨迹优化问题,提出了一种基于区间样条小波的新颖数值算法。首先推导了太阳帆航天器的轨道动力学方程并提出了优化目标函数,然后提出了基于区间样条小波函数及其导数算法的最优控制直接数值法。该优化算法的核心是基于区间样条小波函数及其导数算法,在小波配点上将状态与控制变量作离散化处理,进而可利用小波函数有效逼近带有突变的优点,提高了求解以小波系数为参数的非线性规划问题的计算精度和效率。对典型的地球－水星之间的太阳帆轨道优化问题的仿真结果表明,基于小波的数值解法优于半解析法。     

准最优控制理论在航天器轨道交会中的应用

将准最优控制理论用于轨道自主快速交会时线性二次型调节器的设计。根据轨道交会动力学和基于线性二次型最优控制律的轨道交会优化,提出了一种线性二次型准最优控制器的设计,并证明了系统的稳定性。理论分析和仿真结果表明,该控制律的交会精度较高、计算量小,可实现轨道交会控制的自主性和快速性。