携带晃动燃料柔性航天器姿态机动中的同宿环分叉研究

本文研究了带液体晃动和柔性附件的耦合航天器系统在液体燃料耗散和柔性附件扭转振动的作用下,经历从最小惯量轴到最大惯量轴姿态机动中的混沌动力学行为.将液体晃动等效为球摆模型并由此建立了带柔性附件充液航天器多体耦合系统动力学模型.首先推导出耦合系统动力学方程并采用Melnikov积分预测受扰系统稳定与不稳定流形是否横截相交,得到了参数形式表达的混沌运动解析判据,这对航天器的设计有重要的指导意义.研究发现,混沌的发生依赖于刚体形状,阻尼比,充液比和扭转振动频率.此外,在经过被动再定向姿态机动后,由于液体晃动的本质非线性特性,充液航天器最终将进行大章动角的周期极限环运动而非绕着最大惯量轴自旋.     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

基于路径规划和输入成型的挠性航天器振动控制方法

基于跟踪指令轨迹的航天器姿态机动方案,给出了一种余弦过渡角加速度路径规划算法,以抑制机动后挠性附件振动,应用多模态双峰EI输入成型器对规划路径进行优化。该算法简单,易实现。将规划路径与bang-coast-bang(BCB)路径比较,仿真结果表明采用跟踪输入成型器优化的余弦过渡加速度路径法实现姿态机动可有效抑制挠性附件振动,减小残余耦合力矩,提高快速性。     

受细胞膜放电模型启发的航天器姿态鲁棒控制

研究了具有模型参数不确定和受空间环境干扰影响的挠性航天器姿态大角度快速机动快速稳定控制问题,设计了一种受细胞膜放电模型启发的鲁棒姿态控制器。综合考虑挠性航天器的强非线性和强耦合特性,设计了对模型参数和环境干扰具有鲁棒性的姿态机动控制器。为了减小机动中姿态突变激发的挠性附件振动,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进的鲁棒控制器。当参数不确定范围和干扰有界时,所提鲁棒控制器可使闭环系统的解最终一致有界。最后,分析了控制器参数对姿态控制性能及所需能量的影响。数值仿真验证了所提鲁棒控制器用于姿态机动控制可以得到良好的效果。     

轨道快速机动期间的姿态鲁棒稳定控制方法研究

根据挠性充液航天器刚液柔强耦合、变参数及模型不确定的特点,研究了一种神经网络输出变结构控制算法.根据该算法提出了轨道快速机动卜的姿态控制方案,设计了控制系统并对干扰力矩、模型不确定性等工况进行了仿真.仿真结果表明在发动机干扰力矩和模型不确定情况下.系统能够快速稳定到要求的精度.所设计的系统具有较强的鲁棒性,能够抑制挠性附件振动和液体晃动的影响.     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

基于PD控制的大挠性卫星输入成型姿态机动方法研究

对有快速姿态机动要求的大挠性卫星,为减小挠性振动对姿态机动时间的影响,对基于比例微分(PD)控制的输入成型姿态机动方法进行了研究,提出用输入成型方法在快速机动过程中直接对附件的挠性振动进行抑制。将动力学方程扩展到状态空间,通过求解状态矩阵的特征值解出系统的等效振动频率与阻尼比,以获得成型输入器。给出了一种简化的且能满足工程使用的输入成型频率参数确定方法。设计了输入成型的PD控制器,实现欧拉轴快速姿态机动,同时有效抑制附件的振动。对输入成型器的误差进行了分析。仿真分析了ZVD,EI,ZVDD,EI-Twohump四种输入成型器对某卫星太阳阵挠性振动的抑制效果,以及惯量和挠性参数分别在标称及拉偏状态下卫星姿态机动时的姿态误差与振动模态。结果表明:该方法可满足工程使用要求,简易地获取输入成型参数,设计绕欧拉轴近似最短路径的机动方式,能有效抑制附件的挠性振动,实现快速的姿态机动。     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

带挠性附件的航天器结构-姿态耦合动力学

用Lagrange方程建立了基于混合坐标法的带挠性附件航天器结构-姿态动力学模型,对挠性附件结构的振动特性及其与航天器的耦合关系进行了理论分析,提出了航天器结构-姿态联合仿真分析的方法,并以某卫星天线为挠性附件结构,仿真分析了天线结构的振动特性及其对姿态控制系统的影响.结果表明:提出的航天器结构-姿态联合仿真方法能有效...     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾,研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先,考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求,建立姿态机动的多目标多约束条件,优化获得姿态机动轨迹,在满足快速性基础上,最大限度提高稳定性;其次,设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS),与传统输入成形器相比,FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性,能够有效抑制柔性附件振动,为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础;最后,设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC),避免增益过估计,提高控制精度,实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

Variable structure maneuvering control with time-varying sliding surface and active vibration damping of flexible spacecraft with input saturation

This paper presents a dual-stage control system design method for the three-axis-rotational maneuver and vibration stabilization of a spacecraft with flexible appendages embedded with piezoceramics as sensors/actuators. In this design approach, attitude control system and vibration suppression were designed separately using lower order model. The design of attitude controller was based on variable-structure control (VSC) theory leading to a discontinuous control law. To accomplish asymptotic attitude maneuvering in the closed-loop system and be insensitive to the interaction of elastic modes in the presence of unknown disturbances/uncertainty and input saturation as well, a switching mechanism is employed to design the attitude controller such that outside the sliding region VSC law with a time-varying sliding surface is implemented and inside the region the VSC law with a linear sliding surface is activated. Furthermore, a hyperbolic tangent function in conjunction with a sharpness function permitted to vary with time according to a set of user-defined parameters is implemented to offset the disadvantages of existing saturation-respecting controller and chattering. In addition, for actively damping the excited elastic vibrations during attitude maneuvering, modal velocity feedback and strain rate feedback control design methods are presented and compared by using piezoelectric materials as additional sensors and actuators bonded on the surface of the flexible appendages. Numerical simulations are performed to show that rotational maneuver and vibration suppression are accomplished in spite of the presence of disturbance torque, parameter uncertainty and control saturation nonlinearity.     

绳系太阳能发电卫星姿态机动的主动振动控制

针对绳系太阳能发电卫星大角度回转机动时太阳能板的振动抑制问题,提出了主姿态控制和基于绳中张力的主动振动控制技术相结合的复合控制方法。建立了绳系太阳能发电卫星系统的动力学方程,并基于任务函数控制算法设计了主控制器保证卫星姿态的渐近稳定和挠性结构振动的衰减性;考虑到绳的非线性特性,基于任务函数控制算法设计了绳系卫星系统的主动振动抑制辅助控制器来抑制挠性结构的振动。设计的同时证明了系统的稳定性。将该方法应用于绳系卫星的大角度单轴回转机动的仿真研究,结果表明:该方法不仅能够使绳系卫星完成姿态机动,而且能够有效地抑制太阳能板的振动。     

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。     

一种带精确补偿的卫星姿态快速机动控制方法

针对挠性卫星姿态敏捷机动中,挠性模态和星体转动惯量不确知,进而影响前馈补偿的有效性的问题,提出一种将非线性状态观测器和转动惯量辨识相结合的精确补偿控制方法。证明了一般挠性卫星动力学的非线性项满足Lipschtiz条件,可引入非线性观测器,实现了挠性模态的准确估计。设计了一种基于角速度最优阶拟合的转动惯量校正方法,进一步提高前馈补偿的精度和姿态机动的快速性。数学仿真对比结果表明：本文所提的精确补偿控制方法,能够有效减少挠性附件振动和转动惯量不准确对姿态控制的影响,提高姿态控制的响应速度,满足挠性卫星机动过程的快速性和稳定性,适用于挠性卫星的姿态敏捷机动控制。