一种航天器智能自适应控制方法

航天器智能自适应控制是航天器智能自主控制的一个重要组成部分。研究以带可伸缩挠性附件航天器为对象,以实现高精度、高稳定度和强适应性为目标的智能自适应控制的基本原理和方法,根据对象特征模型和自适应黄金分割控制律提出了基于附件长度的变参数主动控制方法,即中心刚体控制与挠性附件主动控制相结合的联合自适应控制方法。数学仿真结果表明不管航天器挠性附件伸展或收缩,亦或是受到共振扰动,该控制器都能快速抑制姿态角和模态的振动,而且姿态角和模态超调量都很小,其控制效果优于其他控制器的控制效果。     

航天器控制的现状与未来

航天器控制技术是决定航天器发展水平的关键技术之一.针对不同航天活动对航天器控制的特殊要求,分析了高性能卫星、载人航天器、月球探测器和深空探测器等航天器控制的现状.杨嘉墀院士指出航天器控制必将走向智能自主控制之路.进一步提出,航天器智能自主控制应秉承"理论方法、系统结构、器部件要同步研究"的思想和方法.从目前应用情况看,北京控制工程研究所提出的基于特征模型的智能自适应控制方法是大有前途的方法.     

航天器智能自主控制研究的回顾与展望

航天器智能自主控制是一项极其庞大复杂的工程,本文首先回顾国内外航天器智能自主控制的研究现状和北京控制工程研究所近30年来在此领域所取得的成就.接着重点阐述航天器智能自主控制进一步研究的具体内容：航天器自主导航;航天器智能自适应控制的理论和方法;故障自主诊断和重构;信息智能自主管理等.最后论述航天器智能自主控制的发展目标和总体规划.     

组合体航天器姿态的智能自适应控制方法

研究了交会对接后组合体航天器构型变化带来的姿态控制问题,对执行机构在控制量受限时的控制能力进行了分析,应用基于特征模型的智能自适应控制方法,设计了能适用于不同构型的姿态控制器,分别对组合体在直线构型和L构型对接情况下进行了数学仿真,仿真结果验证了智能自适应控制方法可行并且具有一定的优越性。     

基于极点配置的真空热试验温度轨迹自适应补偿控制

为了在航天器真空热试验中对试件温度按指定轨迹精确控制,通过变量代换对真空冷背景环境下的对象模型进行稳态线性化近似处理;通过系统辨识技术对广义对象的时滞和模型参数进行了联合辨识;依据对象估计模型,按照极点配置方法设计了自适应控制律,使闭环系统具有期望的闭环稳定性;根据估计模型的延迟和闭环期望特性设计了自适应补偿器,从而提高了控制系统对给定输入的跟踪性能.运用该方法在模拟太阳翼的温度轨迹跟踪试验中取得了满意的控制效果.     

基于直接自适应的挠性航天器姿态稳定控制

针对挠性航天器姿态稳定控制,基于退步控制方法与直接自适应控制方法提出了一种自适应控制策略。首先将挠性航天器模型分解为运动学子系统和动力学子系统,并设计具有理想控制性能的参考模型;然后在姿态小角度的假设下,对满足近似严格正实性的姿态运动学子系统设计了直接自适应中间控制律;最后运用退步控制方法对航天器动力学子系统设计了姿态控制器,并证明了闭环系统的稳定性。理论分析和数值仿真结果表明该控制器对挠性航天器的姿态稳定控制是有效的。     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型，利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况，同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性，设计自适应输出反馈无源控制，其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理，证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定，而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.      

柔性航天器姿态快速机动的自适应控制方法

 研究带柔性附件航天器的姿态快速机动控制问题。根据带柔性附件的航天器的动力学模型推导并建立其特征模型。基于所建立的特征模型设计一种自适应控制方法,该方法设计简单,控制器参数物理意义明确,便于调试,可同时实现航天器的姿态快速机动控制和弹性附件的振动快速抑制。理论分析和数学仿真表明,该方法对控制器参数及被控对象的不确定性有很强的鲁棒稳定性和鲁棒性能,能取得比工程中常用的比例-微分(PD)控制更快的机动速度和更好的控制性能。     

挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制

针对带有分布式压电陶瓷执行机构的挠性航天器姿态机动与主动振动控制问题,提出了一种退步直接自适应一体化控制方法.首先,建立了挠性航天器姿态机动与主动振动控制的模型,并分析了动力学子系统的近似严格正实性;然后,采用退步直接自适应控制方法,设计了挠性航天器的姿态机动主动振动控制器,并证明了控制闭环系统的稳定性;最后,进行了不同仿真条件下的数学仿真验证.理论分析与数学仿真结果表明,该控制方法不依赖航天器参数,对系统参数不确定性具有强鲁棒性,能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的.     

基于扩张状态观测器的航天器自适应姿态控制

针对航天器三轴姿态大角度机动时动力学特性耦合强烈的情况,同时考虑外界干扰及执行器的不确定性,根据扩张状态观测器的相关理论,提出了航天器姿态机动的一种自适应输出反馈控制策略。首先,采用动量矩定理和欧拉法建立了航天器的姿态动力学模型。然后,在此基础上,利用扩张状态观测器能够准确地获取航天器三轴间非线性耦合及其他未知的外界干扰信息的能力,设计了一种仅需要姿态角测量值的自适应输出反馈控制律,使航天器在大角度姿态机动的同时能够通过自适应律补偿控制力矩的输出偏差。仿真结果表明,在多种任务模式下,航天器都可以很好地完成姿态机动任务,从而验证了控制律的正确性和有效性。     

基于深度迁移学习的航天器故障诊断

随着航天科技的发展，智能故障诊断技术是确保航天器控制系统安全、自主运行的关键技术之一.由于在轨航天器遥测数据样本少、噪声高、未标记，因此缺乏自适应能力、学习能力的传统故障诊断方法难以准确诊断在轨航天器故障.本文针对上述问题提出一种基于深度迁移学习的航天器故障诊断方法，为在轨航天器实时故障诊断提供了可行方法.首先，对航天器运行数据进行预处理，将多维时域信号转换为二维图像信号；其次，搭建基于残差网络的故障诊断深度学习框架，并利用地面测试数据与其他航天器在轨运行数据对网络进行预训练；进而，为了实现当前在轨航天器实时故障诊断，本文采用迁移学习自适应方法，设计网络联合分布自适应代价函数，对故障诊断模型进行参数重调，使模型适应当前在轨航天器故障诊断任务.仿真结果表明，所提出的基于深度迁移学习的故障诊断方法可以快速准确的诊断出航天器故障.     

非合作机动目标交会的相对位置控制

研究目标航天器存在机动的情况下追踪航天器与目标航天器的交会问题.只利用两航天器之间的相对位置测量信息,考虑目标机动、外部干扰以及状态耦合,提出一种改进的特征压缩方式并建立相应的解耦特征模型,基于该特征模型设计解耦的自适应控制方法实现追踪航天器与机动目标航天器的交会.仿真结果验证了算法的有效性,并表明其优于传统的PD控制方法.     

电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制

通过引入一致性理论针对电磁航天器编队相对位置协同控制问题设计了自适应协同控制器。分析了电磁航天器编队的基本原理,建立了电磁航天器编队相对运动精确的非线性动力学方程。基于电磁力远场计算模型的不确定性,对相对运动动力学模型进行了修正。在电磁力计算模型不确定和航天器间存在通信时延的条件下,对位置跟踪控制的目标设计了自适应协同控制器。考虑到电磁航天器磁矩产生能力的不同,给出了通过优化进行磁矩分配的方案。通过仿真表明:所设计的自适应协同控制器不仅实现了对期望轨迹的准确跟踪,而且相比人工势函数法,暂态维持编队构型的能力提高了4.9倍,并且所给出的磁矩分配方案实现了磁矩的合理分配。     

航天器分布式有限时间编队方法

以二阶积分环节作为单体航天器动力学模型,在固定通信拓扑的基础上,假设每个航天器仅获取相邻航天器的速度位置信息,设计了分布式有限时间跟踪控制算法,并证明了算法的有效性。在该算法的基础上,采用了虚拟结构和阶级控制方法,使第一阶级航天器接受虚拟领队形成的虚拟结构信息,次级航天器接受上一级航天器信息,给出了有限时间编队方法,并通过数值仿真验证了该编队算法。     

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。