基于θ-D方法的方位角约束自主交会控制

基于θ-D方法研究了视线坐标系内带有方位角约束的自主交会控制问题。根据轨道坐标系相对运动模型,建立视线相对动力学模型。针对该模型具有非线性强耦合的特点,采用θ-D次优控制算法设计了自主交会的闭环控制方法,并讨论了加权矩阵选取原则。所设计的交会最优控制方法不需要实时求解状态相关黎卡提方程和哈密顿-雅可比-贝尔曼方程,使自主交会控制获得了简易性和快速性,同时实现了对交会方位角的控制,解决了对接口指向不同方位的交会问题。最后,数值仿真验证了控制方法的有效性,克服了交会模型的非线性和参数不确定性,且对于目标圆和椭圆轨道交会任务均适用。     

SO(3)上航天器自适应反步姿态跟踪控制

针对刚体航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种自适应反步控制方法。首先,考虑模型不确定性和外部干扰影响,通过引入一个非负定的势函数来描述姿态跟踪误差,在特殊正交李群SO(3)上建立描述航天器姿态运动的相对动力学方程,所建立的动力学模型有效地避免了用修正罗德里格参数或四元数描述航天器姿态时引起的奇异和退绕等问题;其次,设计的自适应反步控制器可保证闭环控制系统最终一致有界收敛,并用李亚普诺夫理论严格证明了闭环系统的稳定性;此外,设计的自适应控制律可以有效地处理系统总干扰;最后,针对航天器姿态跟踪控制场景进行数值仿真分析。结果表明:与传统PD控制器相比,所设计的控制器可以有效地提高控制性能。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

压电主动杆Maxwell动力学建模与鲁棒H∞控制研究(英文)

未来高性能航天器迫切需要基于压电作动的主动减振控制。针对压电作动器和检波器组成的主动杆系统,基于控制目的,推导了作动器Maxwell动力学模型,为了更好的反映检波器噪声和低频较差性能带来的影响,采用同价的SUITE动杆的系统辨识模型设计了H∞控制器,仿真结果表明H∞控制器对100Hz的正弦扰动有效隔离73% (11.4dB),对频带250Hz的白噪声有效隔离70%     

基于时频域分析的轮控航天器姿态控制规律参数整定

研究了轮控航天器姿态控制规律的设计与参数整定问题。采用xyz转序欧拉角描述航天器姿态,建立了航天器动力学及运动学方程,并设计了非线性解耦控制律,使得各回路可独立设计PID控制器。以滚动回路为例,分析了PD控制参数与系统带宽、截止频率、相位裕度等多项频域指标的关系,从而设计有效的稳态控制器以应对挠性结构振动和系统时延等;接着根据姿态控制特性给出了积分参数选取及积分饱和处理策略;同时为快速完成姿态机动,结合时间最优控制特性分析了控制参数与机动角度的关系;此外,执行机构效率和系统干扰力矩等因素也被用于控制参数域的整定。最后利用整定策略设计了某型卫星的姿态控制器,并通过频域分析和数学仿真检验了该方法的有效性和实用性。     

基于有向图的航天器编队鲁棒自适应姿态协同跟踪控制

针对一组有向通讯拓扑关系的编队航天器的协同控制问题,考虑航天器的模型不确定性(指惯量不确定性)以及受到的外部干扰的影响,设计了分布式自适应协同姿态跟踪控制器,使得各航天器姿态协同的同时跟踪时变的期望姿态。首先,针对由MRP参数描述的航天器误差动力学方程,选取了包含相对误差项以及绝对误差项的滑模面,将模型不确定项和外界干扰项作为整体处理,基于Lyapunov稳定性理论给出了非回归项的自适应算法和分布式协同跟踪控制律的设计方法,以使得各航天器协同收敛到期望的姿态,最后通过仿真验证了该算法的有效性、可行性。     

基于SDRE方法的挠性航天器姿态控制

研究基于状态相关的Riccati方程(SDRE)方法的挠性航天器姿态控制问题。首先基于挠性航天器的姿态动力学方程,推导了用于姿态跟踪控制器设计的误差动力学方程;然后用SDRE方法对挠性航天器进行了姿态控制器的设计;接着采用了三种方法对SＤＲＥ控制器进行求解,即Schur法、改进的Newton法和θ-D法,如果将期望姿态设为某固定姿态,则该控制器实际上成为一个次优姿态机动控制器;最后以某挠性航天器为背景对三种解法进行了数值仿真和比较。仿真结果显示,改进的Newton法计算精度最高,Schur法其次,尽管相比之下θ-D法的计算精度最低,但它也能保证足够的控制精度,而其计算效率是其它两种方法所无法比拟的,θ-D法高效的控制器解算使SDRE的工程应用成为可能。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

柔性航天器高精度隔振与定向研究

随着大型航天器柔性越来越大,结构越加复杂,导致低频柔性模态密集,但同时需要极高的定向精度及姿态稳定度, 这就对航天器姿态控制系统提出了更高的要求。本文采用拉格朗日法建立了柔性航天器姿态轨道耦合动力学模型,并设计了大角度机动航天器的姿态控制器。Lyapunov定理给出闭环系统的稳定性,在0.03Nm均方根的白噪声扰动下,大角度机动姿态角误差小于0.02°,均方根误差0.003°, 为了抑制姿态抖振,设计了复合控制器,采用Stewart平台对敏感载荷局部高精度主动隔振和定向,局部控制后敏感载荷的定向误差小于0.0001°,均方根误差0.000036°。鲁棒 Η ∞ 控制器对Stewart平台主动镇定时,姿态抖振小于0.000002°,均方根误差小于 0.0000008° ,姿态稳定度优于0.00001°/s。     

相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计

慢旋非合作目标在轨服务任务中,在轨服务航天器不仅需要悬停在目标自旋轴上方保持相对位置不变,而且需要与非合作目标同步慢旋保持姿态一致。此时需要保持的相对位置在目标本体坐标系中为常量,在目标本体坐标系下建立相对位置动力学模型,使相对位置控制系统成为调节系统。然后,建立基于相对姿态四元数的姿态动力学模型,并给出推力偏心力矩的数学描述。基于扩展状态观测器、过渡过程安排技术和非线性反馈控制技术,设计姿态和轨道耦合系统的自抗扰控制器。仿真结果表明自抗扰控制器在解决存在非线性和耦合特性的相对位置和姿态耦合系统的控制问题上能够取得理想的控制效果,具有较高的控制精度和较快的系统响应。     

柔性航天器预设性能及时间自抗扰姿轨跟踪控制

针对柔性航天器的姿轨机动及跟踪控制问题,首先基于模块化的多体动力学建模方法在SE(3)框架下建立柔性航天器的姿-轨-结构一体化动力学模型,其中航天器的位置、姿态使用李群SE(3)上的指数坐标来描述,然后进一步推导其相对动力学模型。在此基础上提出一种基于预定义性能及时间的积分滑模跟踪控制方法,通过引入预定义时间扰动观测器估计柔性附件弹性振动及空间环境的扰动,并在控制律中加入扰动估计结果的前馈补偿项,通过Lyapunov理论证明了系统的闭环稳定性和跟踪误差收敛性。该算法通过对状态误差的实时监测来调整执行器的输出,使控制器在系统存在柔性振动及空间环境干扰的情况下仍可实现高精度的姿轨跟踪。将其应用至柔性航天器姿轨跟踪系统中,仿真结果表明了该控制方案的有效性和实用性。     

对失控翻滚目标逼近的神经网络自适应滑模控制

针对失控航天器在空间中自由翻滚的情况,研究追踪器对失控翻滚目标逼近的位置和姿态六自由度耦合控制问题。建立追踪器与目标器相对运动的姿轨一体化动力学模型,设计追踪器逼近过程的标称轨迹和标称姿态。综合考虑系统不确定性和外部干扰,设计无抖振的神经网络自适应滑模控制器。将滑模控制与神经网络逼近相结合,采用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知部分进行自适应逼近。由Lyapunov方法导出神经网络自适应律,通过自适应权重的调节保证整个闭环系统的稳定性。数值模拟实例说明了所设计的标称轨迹和标称姿态的合理性,同时验证了神经网络自适应滑模控制器的有效性。     

挠性航天器姿态跟踪非线性PID控制技术研究

研究了挠性航天器姿态跟踪的非线性PID控制技术.基于误差四元数的动力学和运动学方程,运用Lyapunov稳定性理论设计了新型的航天器非线性PID控制器.控制器不仅具有非线性特点,而且比例参数具有时变的特性,能够根据误差的大小自行进行调整,因此比常规PID控制器具有更好的控制效果.另外,控制器可调参数少,计算简单,工程上易于实现,数学仿真证明了控制方法的有效性.     

一种用于快速跟踪视线的空间拦截器姿态控制方法

以空间拦截器的纵轴在中、末制导段要求指向目标的视线，按最小空间角距旋转，作为跟踪目标的姿态定向的假想坐标系，形成本体坐标系相对假想坐标系的误差四元数。由拦截器的转动角速度分量与误差四元数作为状态反馈构造稳态姿态控制的数学模型。为了得到姿态控制所需的变控制力矩，运用PWPF调制器对常值推力姿控发动机的稳态和脉冲工作状态进行调制，构造所谓的“数字变力矩”控制器，实现对姿态的连续控制。仿真计算结果表明，该方法是实际可行的。     

J2项摄动条件下线性化的编队卫星动力学方程

考虑J2项摄动力对参考卫星轨道的绝对影响和对伴随卫星轨道的相对影响,应用拉格朗日方法,在笛卡尔坐标系下,给出了一组考虑J2项摄动的线性化的编队卫星相对动力学方程。该方程考虑了J2项摄动力带来的相对运动平面内外的耦合和短周期项的影响,有效地提高了相对动力学模型的精度。仿真结果表明,该方程组可有效地描述J2项摄动条件下编队卫星的相对运动,其误差只有二体非线性模型的10%,利用其设计的水平圆编队半径的相对误差不超过1%,并且由于是线性化的微分方程描述,可方便地应用到编队卫星导航、制导与控制系统的设计中。     

编队飞行自主控制的自适应方法

自主的高精度相对控制是实现卫星编队任务的关键技术,自主性要求控制器尽可能只利用星载设备所能提供的测量信息以减少星间通信量,高精度要求控制器连续的消除干扰力、期望轨迹推演以及参考星轨道控制与机动所造成的跟踪误差,为此,本文推导了描述星间相对运动的完整动力学模型以及对期望轨迹的跟踪误差模型,基于Lyapunov方法设计了自适应控制器,并证明了此控制器可以保证闭环系统的最终跟踪误差小于指定的界。本文给出的控制器仅需要星间的相对位置和相对速度测量,不需要主星的轨道参数、轨道位置和轨道机动信息,从而具有较高的自主性。仿真结果表明本文给出的控制器可以完成对期望轨迹的跟踪。     

采用单目视觉的非合作目标星状态估计

针对微小卫星逼近观测未知的空间翻滚非合作目标星任务，提出一种基于单目视觉的目标星相对状态估计方法。在建立追踪星/目标星相对运动模型的基础上，以单目相机识别并测量获得的目标星固有特征的像素位置为观测输入，通过扩展卡尔曼滤波算法实现对目标星相对位置、相对速度、相对姿态、角速度、惯量比和特征位置等状态的估计。仿真结果表明,该方法能够很好地实现对未知非合作目标星的相对状态估计，姿态估计误差小于2°，位置估计误差小于0.1 m，特征点位置平均估计误差小于0.04 m。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求,提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法,采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法,并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中,实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求,具有工程实用性。