空间机器人抓捕目标后姿态接管控制

针对姿轨控系统已经失效的目标航天器姿态控制问题,提出一种空间机器人抓捕目标后姿态接管控制方法。该方法首先利用空间机器人抓捕目标航天器,并保持在固定构型形成组合航天器;其次确定参数突变后组合航天器新的惯量主轴、主惯量和控制力矩分配矩阵;然后在状态空间建立组合航天器的非线性误差姿态动力学;最后采用-α稳定度设计方法来设计服务航天器的SDRE姿态接管控制器,并通过θ-D求解方法得到SDRE控制器的次最优控制律,实现服务航天器对目标航天器的姿态接管控制。仿真结果表明,相比传统的SDRE控制器设计,基于-α稳定度设计的SDRE控制器能够使得系统闭环极点远离虚轴,θ-D求解方法可以降低计算量,因此具有更好的稳定性和实时性。     

一种基于航天器控制语言的遥控作业操作模式设计

为了更好地满足各种条件下航天器的测控需求,提高中国航天器的测控能力和测控网资源的运行效率,本文提出了一种基于航天器控制语言的遥控作业操作模式。通过分析航天器对测控模式的需求,结合航天器控制语言和测控设备的特点,制定了遥控作业操作模式的设计要求和四个基本要素,给出了工程实现的设计方案。实际应用表明,该模式实现了测控网对航天器的闭环测控,满足了对航天器高效、规范、灵活、准确的测控要求。     

非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制

在对非合作航天器进行姿态接管控制时,可能面对目标航天器参数未知、构型改变引起的不确定性及目标施加的非合作控制输入等挑战。针对上述问题提出了一种基于预设性能控制理论的非合作航天器姿态接管控制方法。首先,建立了姿态跟踪运动的非奇异拉格朗日型模型;然后,利用跟踪微分器构造不包含角速度信息的广义状态量,设计无需参数辨识的非奇异预设性能控制器,并证明了系统状态变量的有界性和控制系统在预设的性能指标以内。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性及其对时变参数不确定性和非合作控制输入的鲁棒性。     

一种飞行控制中控制分配的解决方案

针对现代飞控系统中的控制分配问题,提出了一种基于经典理论的最优化方法——有效集方法的控制分配方案,并建立了该方案的两种算法实现;简要描述了具有多个操纵面,考虑位置和速率约束的飞行控制中的控制分配问题,并将其转化为约束二次型规划问题进行研究;讨论了现有的几种控制分配解决方案;最后,以某型飞机为仿真模型,对新的和以前的几种控制分配方案的算法实现进行了对比仿真验证。仿真结果和数据统计表明,提出的这种基于有效集方法的控制分配解决方案对于实时飞行控制分配问题是切实可行且高效的。     

基于后退设计的空间机器人系统的自适应控制

 结合后退设计方法和自适应控制理论,对载体姿态可控的空间机器人系统提出了一种自适应跟踪控制算法。当系统的惯性参数未知时,该算法可以保证空间机器人的手端跟踪误差渐近趋于零。和已有的算法相比,所提出的算法可以消除Lyapunov函数导数表达式中的交叉项,明显改善系统的跟踪性能。对平面两关节空间机器人的仿真结果证实了算法的有效性。     

帆板挠性对空间交会最后平移控制性能影响分析

分别建立了用于航天器空间交会的两组六自由度动力学模型,一为刚体模型,一为考虑太阳帆板挠性的模型,利用相平面控制方法实现了对航天器质心和姿态的控制.为满足交会时间、能量和精度等性能指标,在合理调整相平面参数的情况下得到了一条满足要求的标准轨道,在考虑各种误差的条件下,利用Monte-Carlo方法对两种模型下的控制效果进...     

一类控制受限不确定系统的控制分配重构控制

针对一类控制受限的不确定性系统,提出了一种基于控制分配理论的重构控制策略。该重构策略充分考虑了作动器偏转受约束的情形,基于伪逆控制分配算法,利用自适应控制理论和李雅普诺夫稳定理论,设计了控制分配阵的自适应控制律,使得系统在作动器发生饱和的情形下自适应地调节控制分配阵,从而改变作用于作动器的控制指令,完成系统的重构任务。最后以某多操纵面战机模型为算例对算法予以验证,仿真结果表明了算法的合理性。     

柔性冗余度机器人振动的分析与控制

应用最优控制理论,对柔性冗余度机器人振动控制问题的原理与策略进行了研究。把主动控制思想应用于机器人振动控制中,提出了控制柔性冗余度机器人振动的一种方法。这种方法通过规划机器人的自运动加快系统振动能量的消耗以实现主动振动控制。此外,通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人具有二次优化的能力,这对于提高机器人的工作性能是十分重要的。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

多操纵面优化控制分配新方法

针对直接分配算法不具备优化能力的问题,提出了一种基于可达集的多操纵面控制量优化分配的新方法.简要描述了飞行控制中多操纵面的受限控制分配问题,以实际和期望的伪指令偏差最小为优化目标,将二次规划问题转化成空间中多维向量的简单运算,避免了二次规划在整个可达集中进行的复杂搜索.以某型飞机为仿真模型,对新方法与直接分配算法进行了对比仿真验证.仿真结果表明,该方法能使舵面在期望指令所指向的可达边界子集中得到最优的分配,且计算量小,实时性较好.     

基于有向图的航天器编队飞行自适应姿态协同控制

在有向通信拓扑下研究了编队航天器自适应姿态协同控制问题。针对航天器编队飞行系统中存在外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含相对姿态误差和绝对姿态误差的辅助变量,提出了一种鲁棒自适应控制策略。提出了自适应律估计转动惯量矩阵和扰动上界等未知参数,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。最后通过仿真验证了该控制策略能够实现高精度的编队飞行跟踪控制。     

Anti-disturbance attitude control of combined spacecraft with enhanced control allocation scheme

In this paper, we propose a novel anti-disturbance attitude control law for combined spacecraft with an improved closed-loop control allocation scheme. More specifically, a saturated approach is adopted to guarantee the global asymptotic stability under control input saturation. To enhance the robustness of the system, a nonlinear disturbance observer is constructed to compensate the disturbances caused by inertial parameter uncertainty and unmodeled dynamics. Next, the quadratic programming algorithm is used to obtain an optimal open-loop control allocation scheme, where both energy consumption and actuator saturation have been considered in the allocation of the virtual control command. Then, a modified closed-loop control allocation scheme is proposed to reduce the allocation error under the actuator uncertainty. Finally, stability analysis of the closed-loop system with the proposed allocation scheme is provided. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed control scheme.     

Spacecraft formation-containment flying control with time-varying translational velocity

This paper investigates the problem of Spacecraft Formation-Containment Flying Control (SFCFC) when the desired translational velocity is time-varying. In SFCFC problem, there are multiple leader spacecraft and multiple follower spacecraft and SFCFC can be divided into leader spacecraft’s formation control and follower spacecraft’s containment control. First, under the condition that only a part of leader spacecraft can have access to the desired time-varying translational velocity, a velocity estimator is designed for each leader spacecraft. Secondly, based on the estimated translational velocity, a distributed formation control algorithm is designed for leader spacecraft to achieve the desired formation and move with the desired translational velocity simultaneously. Then, to ensure all follower spacecraft converge to the convex hull formed by the leader spacecraft, a distributed containment control algorithm is designed for follower spacecraft. Moreover, to reduce the dependence of the designed control algorithms on the graph information and increase system robustness, the control gains are changing adaptively and the parametric uncertainties are handled, respectively. Finally, simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the theoretical results.     

基于旋转矩阵的预设时间航天器编队姿态协同控制

由多个航天器组成的编队系统对复杂的环境往往具有较高的适应性和容错性,能更高效率地完成单航天器难以完成的任务。因此主要针对多航天器系统的姿态协同控制问题,提出一种基于旋转矩阵的预设时间控制算法。首先,为了避免航天器姿态建模的奇异性和模糊性问题,采用旋转矩阵对航天器的姿态进行统一描述,同时结合有向的通信拓扑对航天器姿态协同控制系统进行建模。其次,为赋予系统可控的收敛速度,提出一种基于滑模的预设时间控制算法。该算法的引入使得航天器编队系统的收敛时间可以在合理的范围内任意给定。此外,为了实现系统对参数摄动和外部干扰的鲁棒性,采用神经网络和自适应算法对不确定性进行在线估计与补偿。最后,通过理论分析和数值仿真验证了所提预设时间控制算法的有效性。     

Twistor-based synchronous sliding mode control of spacecraft attitude and position

A synchronous control of relative attitude and position is required in separated ultra-quiet spacecraft, such as drag-free, disturbance-free, and distributed spacecraft. Thus, a twistor-based synchronous sliding mode control is investigated in this paper to solve the control problem of relative attitude and position among separated spacecraft modules. The twistor-based control design and the stability proof are implemented using the Modified Rodrigues Parameter (MRP). To evaluate the effectiveness of the proposed control method, this paper presents a case study of separated spacecraft flying control considering the mass uncertainty and external disturbances. In addition, a simulation study of the Proportional-Derivative (PD) control is also presented for comparison. The results indicate that the twistor-based sliding mode controller can ensure global asymptotic stability. The states converge fast with ultra-precision and ultra-stability in both the attitude and position. Moreover, the proposed twistor-based sliding mode control system is robust to the mass uncertainty and external disturbances.     

Coordinated attitude control for flexible spacecraft formation with actuator configuration misalignment

This paper investigates the coordinated attitude control problem for flexible spacecraft formation with the consideration of actuator configuration misalignment. First, an integral-type sliding mode adaptive control law is designed to compensate the effects of flexible mode, environmental disturbance and actuator installation deviation. The basic idea of the Integral-type Sliding Mode Control (ISMC) is to design a proper sliding manifold so that the sliding mode starts from the initial time instant, and thus the robustness of the system can be guaranteed from the beginning of the process and the reaching phase is eliminated. Then, considering the nominal system of spacecraft formation based on directed topology, an attitude cooperative control strategy is developed for the nominal system with or without communication delay. The proposed control law can guarantee that for each spacecraft in the spacecraft formation, the desired attitude objective can be achieved and the attitude synchronization can be maintained with other spacecraft in the formation. Finally, simulation results are given to show the effectiveness of the proposed control algorithm.     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题,提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性,建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型;设计混合多目标优化性能指标评价函数,有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性,并减少舵面耗能;采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵,提高控制面操纵效率,加快优化搜索速度,快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配,保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时,通过多目标控制分配策略,飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器,降低系统设计难度,提高安全性。     

基于布谷鸟搜索算法的一类变体飞行器容错控制

针对一类存在执行机构故障的分布式结构变体飞行器的控制分配问题,结合整数规划理论,提出一种基于布谷鸟搜索算法的容错控制方法。首先,设计虚拟控制指令,使得系统状态能够很好地跟踪参考模型;然后,将执行器概率性故障与饱和约束转换为整数规划问题中决策变量的约束,从而将执行器控制分配问题转化为一类整数规划问题;最后,采用改进的布谷鸟搜索算法进行求解,得到实际的执行器控制分配指令。仿真结果表明,在执行器存在概率性故障的情况下,该容错控制方法较无容错策略的情况能够有效提升系统的跟踪性能;与遗传算法相比,该算法得到的执行器控制分配结果更加精确。     

航天器交会对接模拟系统逼近过程自抗扰控制

航天器交会对接地面模拟系统用于研究航天器交会对接过程的动力学、导航与控制等方面的相关问题。模拟器通过气浮轴承悬浮在大理石平台上来模拟太空的无摩擦微重力环境。通常情况下要保证大理石平台足够水平,由于实际平台不可能完全水平,模拟器的重力分量会使模拟器产生下滑现象,这种现象对大型地面模拟器设备尤为严重。针对模拟器的逼近过程设计了轨迹规划。为了减小测量信号噪声的影响,采用跟踪微分器(TD)对整个逼近过程中的测量信号进行滤波。针对逼近过程中模拟器存在下滑力等干扰问题设计控制器,通过扩张状态观测器(ESO)实时估计干扰量,进而对干扰量进行补偿。对模拟器冷喷气推力系统制定了推力器分配策略,采用脉冲宽度调制(PWM)技术实现对推力的近似等效。提出的控制方法应用于航天器交会对接地面模拟系统,实验结果表明所提出的控制方法能有效消除下滑力等干扰的影响。     

Neural network-based fault diagnosis for spacecraft with single-gimbal control moment gyros

This paper proposes a neural network-based fault diagnosis scheme to address the problem of fault isolation and estimation for the Single-Gimbal Control Moment Gyroscopes(SGCMGs) of spacecraft in a periodic orbit. To this end, a disturbance observer based on neural network is developed for active anti-disturbance, so as to improve the accuracy of fault diagnosis.The periodic disturbance on orbit can be decoupled with fault by resorting to the fitting and memory ability of neural network. Subsequ...