采用变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态跟踪和稳定控制研究

研究以变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)为主执行机构的卫星功率/姿态一体化控制(IPACS)问题。针对卫星的三轴稳定控制和相对惯性系的姿态跟踪问题分别设计了两类自适应控制器,二者都考虑了执行机构的动力学特性,并进行了稳定性的证明。其中前者采用相对姿态描述,可以避免三轴稳定飞行中因惯性姿态旋转方向的选择而引起的控制力矩突变;后者采用改进的罗得里格斯参数(MRPs)描述姿态,简化了控制器设计过程并避免了运动学奇异。对姿态误差的描述,前者采用小姿态角假设下的偏差形式,后者采用现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵,更具有合理性。设计了能够逃离奇异、并具有轮速平衡功能的VSCMGs的操纵律,并应用磁力矩器为VSCMGs进行动量卸载。最后,通过两个算例进行了仿真,验证了所设计系统的可行性和有效性。     

单框架控制力矩陀螺群的奇异几何分析

使用几何方法对单框架控制力矩陀螺群（包括转子恒速的CSCMG和转子变速的VSCMG）的奇异性进行了分析。通过绘制CSCMG的奇异角动量超曲面,并标识隐奇异和显奇异在该曲面上对应的点,直观地表述了CSCMG的可操纵空间,得出星体三轴角动量可交换的具体范围。比较奇异角动量超曲面图,可以看出金字塔构型在角动量饱和包络面内部存在显奇异,而五棱锥构型的显奇异十分接近饱和包络面。文中分析了金字塔和五棱锥两种构型的CSCMG可能的退化隐奇异点,并给出了退化隐奇异点在奇异角动量超曲面上的具体位置及其高斯曲率特性。对集成的能量和姿态一体化控制系统（IPACS）可能出现的无法操纵的情况进行了补充分析,给出了使用VSCMG的IPACS不会出现操纵奇异的构型设计的充分条件。给出在某一瞬时能量下,VSCMG转子角速率范围有限制时的角动量包络图,从中得到CSCMG与VSCMG角动量体的变化和联系。     

单框架控制力矩陀螺奇异问题研究

 研究单框架控制力矩陀螺群的奇异问题。给出了一种新的奇异度量，并推导出利用该度量的简洁的零运动公式。对于不同的构型，该度量反映了陀螺群Jacobian矩阵求逆运算的误差灵敏度，且具有相同的取值范围，因此在分析各种构型的优劣时具有可比性。上述结论通过数值仿真给出了验证。对常用的行列式形式奇异度量，给出其零运动的清晰公式。基于奇异值分解，给出陀螺群的各类操纵律，证明了奇异方向与分解矩阵的关系，明确框架锁死出现的条件和鲁棒操纵律调控的依据。给出五棱锥构型奇异角动量体的切片图，为角动量体内奇异的出现提供了认识的方法；对失效情况下的五棱锥构型，通过奇异角动量曲面图和具体的切片图，直观地得到其内部形式和特性的显著变化。     

使用变速控制力矩陀螺的航天器鲁棒自适应姿态跟踪控制

 研究以变速控制力矩陀螺群（VSCMGs）为执行机构的航天器姿态跟踪问题。采用四元数描述姿态, 在姿态误差的描述中引入了现时姿态与期望姿态之间的方向余弦矩阵。考虑执行机构模型参数不确定和有外干扰的情况, 姿态误差动力学方程为多输入多输出(MIMO)的非线性系统。基于Lyapunov理论设计了鲁棒自适应控制器, 运用光滑投影算法避免了估计参数陷入奇异。仿真结果表明, 设计的鲁棒自适应控制律明显地缩小了姿态跟踪误差, 很好地解决了外部环境干扰和执行机构由于安装误差或机械磨损造成的轴承方向未对准的问题。     

放宽静稳定性大型客机电传控制律设计

对放宽静稳定性大型客机进行了控制增稳控制律的设计,并完成了相关的仿真验证。通过研究《CCAR-25运输类飞机适航标准》和C*飞行品质评价准则,提出了放宽静稳定性大型客机纵向增稳控制律的设计要求。采用国际上先进大型客机常用的C*构型设计纵向电传增稳控制律,最后对所设计的控制律进行了操纵品质和增稳效果的仿真验证。仿真结果表明,设计的控制律在典型的巡航状态下,电传闭环操纵品质满足Ⅰ级飞行品质;同时在纵向扰动的情况下,有很好的静稳定性,增稳效果满足适航条例的要求。     

大型航天器SGCMG系统基于模糊决策的操纵律设计研究

作为航天器制导、导航和控制系统的执行部件，单框架控制力矩陀螺是较为理想的大型航天器姿控系统的选择，但是单框架控制力矩陀螺系统（ＳＧＣＭＧ）存在严重的奇异现象，增加了操纵律的设计与开发的难度。本文对ＳＧＣＭＧ系统的奇异性进行了分析，利用模糊决策的思想确定了奇异测度，根据奇异测度梯度搜索法设计了基于模糊决策的ＳＧＣＭＧ系统操纵律。仿真试验表明该方法有效地保证了系统能够回避可避的奇异状态，为大型航天器操纵律设计提供了新的思路。     

采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题.考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动.同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡...     

加速度反馈的隐式动态逆鲁棒非线性控制律设计

针对常规显式非线性动态逆(NDI)控制鲁棒性差的问题,综合隐式动态逆和奇异摄动分层设计,引入状态速率（导数）反馈和操纵面的当前位置信号反馈,设计了隐式增量形式的动态逆控制律。控制律中不显含基于标称模型的非线性直接状态反馈,不需要完整的飞机气动力模型,降低了控制律对于模型的敏感度。利用过载测量信号,采用几何的方法,构建了角加速度信号,对于其他状态速率信号,基于飞机动力学方程,以代数计算的方法求解得到。控制律结构简单,当飞机存在外形损伤、舵面失效或传感器失效时,能够迅速实现测量信号的隔离、反馈信号的重建和控制的重新分配和控制律重构。针对某飞机进行控制律设计和数值仿真,结果表明在存在气动力摄动的情况下,控制律具有良好的鲁棒性。     

超机动飞机动态逆-PID控制器设计

对超机动飞机在大迎角机动下的控制律进行设计,并完成相关仿真验证.通过引入推力矢量技术,建立带推力矢量的飞机非线性数学模型;采用奇异摄动理论,将飞机状态划分为快慢变换不同的同路,分别应用动态逆设计飞行控制律;并采用PID控制补偿由于未精确建模带来的系统逆误差;最后对所设计的控制律进行了机动指令飞行仿真.仿真结果表明,设计的控制律能在大迎角机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,并保证闭环系统的稳定性.     

某ACT验证机纵向DFBW控制律设计

讨论了某ACT验证机纵向数字式电传操纵系统(DFBW)控制律的综合设计方法,概述了具有控制增稳(CAS)、边界(迎角/过载)限制、放宽静稳定性(RSS)补偿和自动配平等功能的纵向DFBW控制律的结构和参数选择,阐明了校正滤波网络的作用和自持振荡的抑制措施。设计结果为试飞所验证。     

A new steering approach for VSCMGs with high precision

A new variable speed control moment gyro (VSCMG) steering law is proposed in order to achieve higher torque precision. The dynamics of VSCMGs is established, and two work modes are then designed according to command torque:control momentum gyro (CMG)/reaction wheel (RW) hybrid mode for the large torque case and RW single mode for the small. When working in the CMG/RW hybrid mode, the steering law deals with the gimbal dead-zone nonlinearity through compensation by RW sub-mode. This is in contrast to the conventional CMG singularity avoidance and wheel speed equalization, as well as the proof of definitely hyperbolic singular property of the CMG sub-mode. When working in the RW single mode, the motion of gimbals will be locked. Both the transition from CMG/RW hybrid mode to RW single mode and the reverse are studied. During the transition, wheel speed equalization and singularity avoidance of both the CMG and RW sub-modes are considered. A steering law for the RWs with locked gimbals is presented. It is shown by simulations that the VSCMGs with this new steering law could reach a better torque precision than the normal CMGs in the case of both large and small torques.     

利用变速控制力矩陀螺的航天器集成能量与姿态控制

 利用变速控制力矩陀螺(VSCMG)的航天器姿态与能量一体化控制问题。针对以VSCMG为姿态控制执行机构的刚体航天器设计了全局渐近稳定的姿态跟踪控制律。将VSCMG的框架角速度和转子角加速度作为控制输入向量设计操纵律。利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入向量，并用与之正交的控制输入向量来以给定的功率存储/释放能量。提出了同时表征力矩陀螺模式构型奇异和转子轮速平衡的混合指标函数。对控制自由度有冗余的系统，在混合指标函数的基础上利用梯度法构建了VSCMG的空转运动，以回避力矩陀螺模式的构型奇异，并同时减小转子转速差过大引起的转速饱和以及VSCMG零奇异的可能性。利用反馈转子动能的方法规划日照期间的储能功率，以维持系统长时间工作的能量平衡。基于某太阳同步轨道卫星的数值仿真结果验证了系统的有效性。     

Singularity analysis for single gimbal control moment gyroscope system using space expansion method

Control Moment Gyroscope (CMG) is an effective candidate for agile satellites and large spacecraft attitude control because of its powerful torque amplification capability. The most serious situation, however, in using CMG is the inherent geometric singularity problem, where there’s no torque output along a particular direction. Space expansion method has been proposed in this work for the singularity analysis. Based on inverse mapping transformation, an expanded Jacobian matrix which is a full rank square matrix is obtained. The singular angle sets of the 3-parallel cluster and pyramid cluster are distinguished using space expansion method. An effective hybrid steering strategy, able to deal with the elliptic singularity, is further proposed. Simulation results demonstrate the excellent performance of the proposed steering logic compared to the generalized singular robust logic and pseudo inverse logic in terms of energy consumption and torque error.     

Singularity problem of control moment gyro cluster with vibration isolators

As powerful torque amplification actuators, control moment gyros (CMGs) are often used in the attitude control of many state-of-the-art high resolution satellites. However, the distur-bance generated by the CMGs can not only reduce the attitude stability of a satellite but also dete-riorate the performance of optic payloads. Currently, CMG vibration isolators are widely used to target this problem. The isolators can affect the singularity of the CMG system as they are placed between the CMGs and the satellite bus and provide additional freedoms to the CMG system due to their flexibility. The formulation of the output torque of a CMG is studied first considering the dynamic imbalance of its spin rotor and then the deformation angle as a result of the isolator’s flex-ibility is calculated. With the additional freedoms, the influence of isolator on the singularity problem is studied and a new steering logic to escape from the singular states is proposed.     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

采用 DGCMG 的空间站扰动辨识动量管理

研究长期在轨空间站的动量管理问题。针对动量管理过程中力矩平衡姿态的求解与稳定性进行分析，应用李亚普诺夫方法，给出一种考虑常值姿态干扰的动量管理控制方法，使用双框架控制力矩陀螺作为姿态控制执行机构，进行动量管理控制仿真。仿真结果表明该方法控制准确、收敛快速，可以作为空间站姿态控制的工程参考。