基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题，提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先，采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数，并引入事件触发机制，在执行器故障下实现容错控制的同时，节约星载计算机的计算资源。然后，基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定，并能有效避免Zeno现象，保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后，应用于航天器的姿态稳定试验，仿真结果验证了该方法的有效性。     

空间机器人抓捕目标碰撞后的复合体稳定控制

空间机器人抓捕目标后构成新的组合航天器.因目标运动估计误差以及抓捕器位姿解算误差,造成抓捕过程的碰撞,碰撞产生的扰动力矩会造成空间机器人失稳,严重时将导致抓捕任务的失败.针对这一问题,提出基于反作用轮重配的反步积分滑模控制方法,通过控制空间机器人的反作用轮吸收角动量,实现复合航天器稳定控制.本文首先对包含反作用轮的复合航天器进行姿态误差动力学建模,然后根据碰撞过程中冲击力大,碰撞时间短的特点,提出了改进的滑模控制方法,并通过Lyapunov方法证明了系统稳定性,最后通过伪逆法将控制力矩在冗余配置的反作用轮间重新分配来完成复合航天器姿态稳定控制.通过仿真对所提出稳定控制方法的正确性和有效性开展验证,结果表明：本文提出的方法具备实现碰撞后复合航天器稳定的能力,算法具有很强的鲁棒性与工程实用性.     

带VSCMGs的航天器姿态稳定及功率补偿控制

基于变速控制力矩陀螺群动力学模型建立其复合控制方程和分系统解耦约束方程,用矩阵投影方法同步设计得到航天器姿态与能量一体控制复合操纵律,利用Lyapunov方法分析了转子轴向惯量误差对姿态控制分系统的影响.根据飞轮转子轴向惯量与功率输出之间的误差关系设计出功率控制补偿器.复合操纵律中的力矩和功率两解形式相同,约束方程使得姿态与能量控制两分系统解耦,便于进行考虑执行机构特性的闭环控制系统性能分析.考虑飞轮转子轴向惯量误差时,姿态控制分系统的输出耗散特性使其能够保持稳定,而功率控制分系统输出误差与转子轴向惯量误差成比例关系,经过补偿后功率输出能满足控制要求.     

基于自适应迭代学习的小行星绕飞容错控制

对于小行星绕飞任务的探测器姿态控制问题,已有方法大都考虑了干扰力矩和参数不确定等因素,而忽视了执行器故障情况。针对执行器故障条件下的小行星探测器姿态控制问题,提出了一种基于自适应迭代学习的容错控制方法。所设计的控制器包括两部分：其一针对执行器故障,设计了自适应迭代学习控制器,采用类滑模的思想和自适应迭代学习算法对控制器参数进行调整,进而补偿执行器故障带来的影响,保证系统在控制输出不足情况下的高精度姿态稳定性;其二针对探测器参量变化、外部环境干扰等不确定情况,设计了基于自适应神经网络的迭代学习控制器,采用径向基函数（RadialBasisFunction,RBF）神经网络对系统非线性部分进行逼近,同时对控制器参数进行自适应迭代学习调整,进而保证系统在不确定情况下的动态性能。数值仿真结果表明该控制器能够有效抑制外部环境干扰和内部参数变化带来的不利影响,在执行器部分失效甚至完全失效故障情况下,仍能保证系统的鲁棒性并实现误差在10^-2数量级内的较高姿态控制精度。     

飞轮控制的欠驱动刚体航天器姿态控制器设计

针对"三正交加斜装"反作用轮系统中某两个本体轴上的飞轮失效的欠驱动情况,研究了航天器的姿态控制问题.在系统初始角动量为零的条件下,设计分段解耦控制律,实现了姿态稳定.采用欧拉角描述法建立了欠驱动航天器的姿态动力学方程和运动学方程.在系统初始角动量为零的条件下,通过分析方程的解耦特性,设计了分段解耦控制律.该方法经过6次机动控制,可实现姿态稳定.数值仿真验证了方法的有效性.     

基于扩张状态观测器的运输机多故障容错控制

针对含有传感器与舵面故障的运输机姿态跟踪问题, 提出了一种基于扩张状态观测器的反步容错控制方法。采用状态观测器与控制器分开设计的方法, 设计含神经网络的扩张状态观测器估计系统状态、传感器和舵面故障信息。在此基础上, 利用状态估计值代替实际状态, 采用反步法设计姿态角跟踪控制律, 并引入指令滤波器提高反步法的控制性能, 基于Lyapunov稳定性理论推导证明了闭环系统跟踪误差的最终有界收敛。仿真结果表明, 在系统存在传感器与舵面多故障的条件下, 所提方法依然可以实现运输机姿态角的稳定跟踪。      

一种无角速度信息的挠性航天器姿态控制方法

研究了一种无角速度信息挠性航天器的姿态稳定控制方法。针对挠性航天器陀螺故障或无陀螺配置中无角速度测量信息情形下的姿态控制问题,基于姿态四元数设计了姿态定点调节的无速率控制器,利用Lyapunov方法和LaSalle不变原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性,并对控制方案进行了改进。仿真验证了控制律的有效性。     

一种轮控卫星姿态机动变结构控制器

针对小卫星3轴反作用轮姿态控制系统的非线性特性,应用误差四元数来描述姿态运动,将星体大角度姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题.利用误差四元数和误差角速度建立滑动模态,并基于Lyapunov定理推导出一种姿态机动的引入角加速度负反馈的变结构控制律.仿真结果表明,该控制律能够提高收敛速度,降低机动过程中角速度的超调量和对起始力矩的要求.同时,在模型参数不确定和有外干扰的情况下该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.      

带有两个飞轮的欠驱动航天器姿态稳定控制研究

在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最大程度姿态稳定形式为航天器本体三轴角速度稳定,同时固连于航天器的某一特定视线轴指向任意给定惯性方向。利用一种新的姿态描述形式推导出了角速度为零时航天器的目标姿态,然后基于线性化后的系统设计了线性二次型最优控制器。数值仿真表明利用此控制器能实现所提出的姿态稳定形式,这对于无须实现本体系相对惯性系三轴姿态角为零,而只需对固连于本体的天线或相机进行惯性空间定向控制的航天器将完全满足其姿态控制要求,同时也能提高欠驱动航天器的可靠性。     

基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制研究

针对传统航天姿控系统故障诊断与容错控制诊断精度及控制分配效率较低的问题，提出了一种基于深度神经网络的航天器姿态控制系统故障诊断与容错控制方法。以控制力矩陀螺为执行机构的航天器发生执行机构故障工况时，所提出的方法可保证鲁棒的姿态控制。首先，利用三个异构深度神经网络实现传统容错控制器的故障诊断、姿态控制和力矩分配等功能，建立了全神经网络的智能自适应容错控制器架构。然后，对三个神经网络的网络层数、神经元数目和激活函数等参数进行优化调整，对比分析了神经网络参数对控制器性能的影响。最后，对所提出的新型控制器在控制力矩陀螺发生故障时的控制精度和鲁棒性进行了仿真验证。仿真结果表明，对于具有冗余控制力矩陀螺的航天器，提出的方法不仅能在单一陀螺故障下实现高精度的容错控制，也能在发生多陀螺故障时保证一定的姿态稳定控制。     

基于非线性未知输入观测器的航天器故障诊断

针对一类满足Lipschitz条件的非线性系统,设计了一组非线性未知输入观测器,并依据故障解耦的思想,产生结构化的残差集,实现非线性系统执行器的故障隔离。研究考虑了未知扰动对非线性系统的影响,并利用Lyapunov理论证明了所设计观测器的稳定性。最后,以三轴稳定卫星的姿态控制系统为对象,仿真验证了所提方法对各种典型执行器故障诊断的有效性。     

Constrained adaptive fault-tolerant attitude tracking control of rigid spacecraft

A saturated fault-tolerant attitude tracking controller for disturbed rigid spacecraft is derived using nonlinear state feedback control method. The proposed controller achieves the constraints of control inputs by directly using the bounded function instead of the traditional saturation compensator technique, and the active tolerance to the partial loss of actuator effectiveness is also achieved by directly using the known bounds of the actuator faults in the controller. Specifically, compared with the traditional saturated control methods, a continuously bounded nonlinear function in the proposed controller is used to guarantee that the actuator outputs are smoothly bounded under the prescribed constraints. Based on some properties of the attitude tracking dynamics, the proposed controller can ensure the attitude tracking errors converge to small neighborhoods of zero via stability analysis in the Lyapunov framework. Simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the control scheme.     

Fault tolerant small satellite attitude control using adaptive non-singular terminal sliding mode

The Attitude Control System (ACS) plays a pivotal role in the whole performance of the spacecraft on the orbit; therefore, it is vitally important to design the control system with the performance of rapid response, high control precision and insensitive to external perturbations. In the first place, this paper proposes two adaptive nonlinear control algorithms based on the sliding mode control (SMC), which are designed for small satellite attitude control system. The nonlinear dynamics describing the attitude of small satellite is considered in a circle reference orbit, and the stability of the closed-loop system in the presence of external perturbations is investigated. Then, in order to account for accidental or degradation fault in satellite actuators, the fault-tolerant control schemes are presented. Hence, two adaptive fault-tolerant control laws (continuous sliding mode control and non-singular terminal sliding mode control) are developed by adopting the nonlinear analytical model to describe the system, which can guarantee global asymptotic convergence of the attitude control error with the existence of unknown external perturbations. The nonlinear hyperplane based Terminal sliding mode is introduced into the control law design; therefore, the system convergence performance improves and the control error is convergent in “finite time”. As a result, the study on the non-singular terminal sliding mode control is the emphasis and the continuous sliding mode control is used to compare with the non-singular terminal sliding mode control. Meanwhile, an adaptive fuzzy algorithm has been proposed to suppress the chattering phenomenon. Moreover, several numerical examples are presented to demonstrate the efficacy of the proposed controllers by correcting for the external perturbations. Simulation results confirm that the suggested methodologies yield high control precision in control. In addition, actuator degradation, actuator stuck and actuator failure for a period of time are simulated to demonstrate the fault recovery capability of the fault tolerant controllers. The numerical results clearly demonstrate the good performance of the adaptive non-singular terminal control in the event of actuator fault compare with the continuous sliding mode control.     

Robust fault-tolerant saturated control for spacecraft proximity operations with actuator saturation and faults

In this paper, the motion control problem of autonomous spacecraft rendezvous and docking with a tumbling target in the presence of unknown model parameters, external disturbances, actuator saturation and faults is investigated. Firstly, a nonlinear six degree-of-freedom dynamics model is established to describe the relative motion of the chaser spacecraft with respect to the tumbling target. Subsequently, a robust fault-tolerant saturated control strategy with no precise knowledge of model parameters and external disturbances is proposed by combining the sliding mode control technique with an adaptive methodology. Then, within the Lyapunov framework, it is proved that the designed robust fault-tolerant controller can guarantee the relative position and attitude errors converge into small regions containing the origin. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed control strategy.     

基于PCH模型的航天器姿态无源控制

针对存在干扰力矩的航天器姿态控制问题,从能量角度提出一种基于端口受控哈密顿(PCH)系统模型的无源控制方法。通过将姿态控制系统表示为PCH形式,并增加与姿态误差积分有关的状态,利用互联和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)方法进行控制器设计,使得闭环系统具有期望的内部互连结构关系和能量耗散特性,所提出的控制方案能保证系统的输入-状态稳定性。进一步,考虑执行器的动态特性,利用反步法对控制指令进行补偿设计,结合指令滤波技术避免对虚拟控制量高阶导数的计算,并从理论上证明了闭环系统一致最终有界。仿真结果验证了本文所提控制方法相比于单独基于无源性控制方法的性能优势。     

基于自适应多设计融合航天器近距离操作的执行器故障补偿技术研究

针对带有执行器故障的航天器近距离操作系统，提出了基于多设计融合的自适应故障补偿方法，实现在发生执行器卡死故障情况下，对目标航天器的位置和姿态的跟踪。提出的故障补偿方法无需故障检测，针对每种可能的故障模式设计控制器组成多控制器集合，并有效地将它们融合后构建最终反馈控制器。仿真结果表明了该故障补偿策略的有效性，能够保证追踪航天器系统的稳定性和期望的跟踪性能。