基于势函数法的航天器自主姿态机动控制

主要研究存在禁止姿态的航天器自主姿态机动控制问题.首先,给出航天器的动力学和运动学模型,利用四元数描述航天器与机动姿态和禁止姿态的姿态偏差,用相应的欧拉转角描述不同姿态间的距离.为利用势函数完成禁止姿态回避,结合航天器的运动情况设计排斥势函数(RPF)存在条件后,根据禁止姿态最小允许夹角构造一种新的排斥势函数.接着,利...     

微小卫星低可观测外形飞行姿态规划

为提高在轨微小卫星的使用效能及生存能力,提出一种微小卫星低可观测外形飞行姿态规划算法.根据微小卫星雷达散射截面(RCS)、轨道及雷达威胁特性,建立了可进行长时间内最佳飞行姿态规划的数学模型,设计了低计算复杂度的链表式个体结构及进化规划策略,并实现了算法对高威胁区优化规划的能力.同时,算法低迭代步长下的快速收敛特性以及进...     

Robust Hybrid Control for Ballistic Missile Longitudinal Autopilot

This paper investigates the boost phase’s longitudinal autopilot of a ballistic missile equipped with thrust vector control. The existing longitudinal autopilot employs time-invariant passive resistor-inductor-capacitor (RLC) network compensator as a control strategy, which does not take into account the time-varying missile dynamics. This may cause the closed-loop system instability in the presence of large disturbance and dynamics uncertainty. Therefore, the existing controller should be redesigned to achieve more stable vehicle response. In this paper, based on gain-scheduling adaptive control strategy, two different types of optimal controllers are proposed. The first controller is gain-scheduled optimal tuning-proportional-integral-derivative (PID) with actuator constraints, which supplies better response but requires a priori knowledge of the system dynamics. Moreover, the controller has oscillatory response in the presence of dynamic uncertainty. Taking this into account, gain-scheduled optimal linear quadratic (LQ) in conjunction with optimal tuning-compensator offers the greatest scope for controller improvement in the presence of dynamic uncertainty and large disturbance. The latter controller is tested through various scenarios for the validated nonlinear dynamic flight model of the real ballistic missile system with autopilot exposed to external disturbances.     

CubeSail: A low cost CubeSat based solar sail demonstration mission

CubeSail is a nano-solar sail mission based on the 3U CubeSat standard, which is currently being designed and built at the Surrey Space Centre, University of Surrey. CubeSail will have a total mass of around 3 kg and will deploy a 5 × 5 m sail in low Earth orbit. The primary aim of the mission is to demonstrate the concept of solar sailing and end-of-life de-orbiting using the sail membrane as a drag-sail. The spacecraft will have a compact 3-axis stabilised attitude control system, which uses three magnetic torquers aligned with the spacecraft principle axis as well as a novel two-dimensional translation stage separating the spacecraft bus from the sail. CubeSail’s deployment mechanism consists of four novel booms and four-quadrant sail membranes. The proposed booms are made from tape-spring blades and will deploy the sail membrane from a 2U CubeSat standard structure. This paper presents a systems level overview of the CubeSat mission, focusing on the mission orbit and de-orbiting, in addition to the deployment, attitude control and the satellite bus.     

基于PXI的液体姿轨控火箭发动机试验测控系统设计与实现

针对液体姿轨控火箭发动机地面试验高精度、高风险和灵活多变的特点,设计研发了一套以PXI （PCI extensions for instrumentation）控制器为主体的发动机试验测控系统.控制系统拥有40路开关量控制能力,综合运用手动、时序和自动控制方式.测量系统拥有120路信号同步采集能力,具备故障诊断功能.测控系统软件使用LabVIEW开发,通用性良好.为增强控制可靠性,设计了面向工艺流程的试验面板,应用嵌入式控制,进行信号多级监测并引入紧急自动关机控制.为提高测量精度,对测量参数进行原位标定,提出了一种改进的干扰消除电路.该系统已多次成功应用于液体姿轨控火箭发动机地面试验,采用的设计方法有效地提高了测控系统的可靠性,测量精度和控制精度分别达到0.5%和0.1ms,能够充分满足多种类型的液体姿轨控火箭发动机对试验测控系统的要求.     

考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先,将虚拟控制律的微分量视作干扰量,利用自适应技术对其进行补偿,避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时,控制设计过程中显式地引入了饱和函数,保证了在存在输入饱和的情况下,控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后,以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证,结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下,仍然能够完成对姿态的精准跟踪。     

滑模观测器在临近空间高动态UAV中的应用

针对临近空间高动态无人飞行器(UAV)再入飞行动态范围跨度大,气动参数存在不确定性等特点,利用李雅普诺夫方法设计了具有不同时间量程的双回路滑模控制系统。其中外环采用常规设计;内环控制器设计将控制力矩分为两部分:一部分对UAV已知的动态部分进行稳定控制;另一部分由相应的滑模观测器生成,用来稳定和削弱飞行过程中的干扰项,以增加控制系统的鲁棒性。该控制系统克服了经典控制方法的缺陷,无需大量的增益调节,而能自动适应非线性和强耦合的对象特性,并能适应大范围环境变化,减小对不同飞行条件下气动与结构参数的依赖性。仿真结果证明了所提出的控制器设计方法的有效性,具有较高的姿态跟踪精度。     

重复使用运载器基于轨迹线性化的俯仰角控制

为了改善重复使用运载器末端区域能量管理段的控制系统性能,提出了一种基于轨迹线性化的俯仰角控制回路结构,该结构由伪逆模型前馈和反馈控制组成.根据瞬时平衡的定义,沿轨迹剖面线性化,获得了伪逆模型的设计方法,形成俯仰控制结构.以高空超声速飞行为例,进行了俯仰角控制设计,并与常规反馈控制相比较.结果表明,基于轨迹线性化的俯仰角控制,可以改善控制系统的动态性能,减小反馈回路的负担,降低积分饱和的可能性.      

RLV再入姿态双环滑模控制及舵喷混合配置

应用滑模控制设计了一种可重复使用运载器（RLV）再入姿态控制器,该控制器应用双环的滑模控制方案,可以获得对角速度及角度的同时跟踪,并具有较好的鲁棒性和解耦性能。针对RLV再入姿态的动力面与反作用混合控制的特点,运用优化控制选择配置算法把控制力矩指令配置为末端受动器的控制指令,分别由动力面与反作用致动器来执行。再入姿态仿真验证了该方法的精度、鲁棒性以及解耦的跟踪性能及有效性。     

推力矢量飞机控制律设计及过失速机动仿真研究

利用四元数法建立了带推力矢量的战斗机全量运动方程,依据逆系统理论对推力矢量飞机进行了适用于过失速机动和超敏捷性研究的控制系统设计。根据非线性动态逆的特点将飞机的动态特性分成快慢不同的两组状态变量分别进行设计,并采用伪逆法解决了舵面分配问题。利用该控制系统对"眼镜蛇"飞机机动进行了仿真计算,结果表明该设计方法是可行的。