输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制

研究有向通信拓扑结构下存在输入饱和时多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制问题。首先，针对只有部分航天器可以获得主航天器姿态和角速度状态信息问题，设计了一个固定时间主航天器状态观测器来观测主航天器状态信息。针对航天器无法测量自身角速度的情况，设计了一个固定时间航天器角速度观测器，实现了在固定时间内观测出航天器角速度信息。然后，基于固定时间主航天器状态观测器和固定时间航天器角速度观测器，设计一个固定时间输出反馈姿态追踪控制器，并证明了系统固定时间稳定性。此外，仿真结果也验证了所提控制策略的有效性。     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

考虑输入饱和与姿态角速度受限的航天器姿态抗退绕控制

 针对航天器姿态控制过程中同时存在输入饱和与姿态角速度受限的问题,提出了一种新型的姿态控制设计方法。该方法在保证系统渐近稳定的前提下,能够显式地给出输入力矩和姿态角速度的最大幅值,并通过引入一个时变锐度参数来增强系统对外部干扰的抑制能力;在此基础上,进一步考虑了由于四元数的冗余性所导致的退绕问题,设计了一组新的姿态偏差函数和偏差向量,使得控制器在满足上述约束的同时还具有抗退绕的优点。仿真结果表明,所提算法能够同时满足输入饱和与姿态角速度受限的约束,并且在较大外部干扰的情况下表现出了很强的鲁棒性,同时成功地规避了退绕现象。该算法为存在多重约束的航天器姿态控制问题提供了一个新的思路和解决方案,具有很好的实际应用价值。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入对航天器相对位置、姿态控制的需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿Z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

推力器故障的刚体航天器自适应变结构容错控制

 针对刚体航天器存在未知惯量参数、推力器故障以及控制受限的姿态控制问题,提出了一类自适应变结构容错控制方法,显式地引入推力器输出的饱和幅值,以确保控制输出在其要求界的范围内;同时,引入控制参数在线自适应调整技术,提高了控制律对参数、干扰以及故障变化的自适应能力;对设计者而言,推力器故障信息不需要进行在线检测和分离。此外,进一步考虑存在推力偏差对系统性能的影响,设计控制器参数使得闭环系统对这类推力偏差具有L₂增益稳定性。最后,将设计的控制器应用于航天器的姿态机动控制,仿真结果表明该控制器能有效地抑制外部干扰、参数不确定性和推力器各种故障的约束,在完成姿态机动的同时,保证其控制输出满足饱和受限界的要求。     

挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性,并设计了具有理想控制性能的参考模型;然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律,使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出;最后退一步,对具有参数不确定特性的动力学子系统,基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方法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。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

引入姿态误差的中继跟踪预报

航天器的姿态控制误差是客观存在的,由于中继终端跟踪能力有限,在某些情况下,姿态误差会导致跟踪中断,从而造成测控资源的浪费并影响正常执行任务。针对姿态控制误差影响中继跟踪的问题,通过对简化姿态旋转矩阵求导,推导出姿态误差与中继终端框架角和角速度的转换关系,得到引入姿态误差的中继终端跟踪预报模型。利用该模型对某航天器中继跟踪情况进行仿真计算,表明：考虑姿态误差情况下,中继跟踪弧段比无扰动情况要短一些,跟踪时间减少的时段发生在天线方位轴与航天器到中继星连线的夹角较小的时候。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

Delay Depending Decentralized Adaptive Attitude Synchronization Tracking Control of Spacecraft Formation

This paper deals with the problem of cooperative attitude tracking with time-varying communication delays as well as the delays between inter-synchronization control parts and self-tracking control parts in the spacecraft formation flying. First, we present the attitude synchronization tracking control algorithms and analyze the sufficient delay-dependent stability condition with the choice of a Lyapunov function when the angular velocity can be measured. More specifically, a class of linear filters is developed to derive an output feedback control law without having direct information of the angular velocity, which is significant for practical applications with low-cost configurations of spacecraft. Using a well-chosen Lyapunov-Krasovskii function, it is proven that the presented control law can make the spacecraft formation attitude tracking system synchronous and achieve exponential stability, in the face of model uncertainties, as well as non-uniform time-varying delays in communication links and different control parts. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

Autonomous attitude coordinated control for spacecraft formation with input constraint,model uncertainties,and external disturbances

To synchronize the attitude of a spacecraft formation flying system, three novel autonomous control schemes are proposed to deal with the issue in this paper. The first one is an ideal autonomous attitude coordinated controller, which is applied to address the case with certain models and no disturbance. The second one is a robust adaptive attitude coordinated controller, which aims to tackle the case with external disturbances and model uncertainties. The last one is a filtered robust adaptive attitude coordinated controller, which is used to overcome the case with input con- straint, model uncertainties, and external disturbances. The above three controllers do not need any external tracking signal and only require angular velocity and relative orientation between a spacecraft and its neighbors. Besides, the relative information is represented in the body frame of each spacecraft. The controllers are proved to be able to result in asymptotical stability almost everywhere. Numerical simulation results show that the proposed three approaches are effective for attitude coordination in a spacecraft formation flying system.     

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。     

Adaptive finite-time backstepping control for attitude tracking of spacecraft based on rotation matrix

This paper investigates two finite-time controllers for attitude control of spacecraft based on rotation matrix by an adaptive backstepping method. Rotation matrix can overcome the draw- backs of unwinding which makes a spacecraft perform a large-angle maneuver when a small-angle maneuver in the opposite rotational direction is sufficient to achieve the objective, With the use of adaptive control, the first robust finite-time controller is continuous without a chattering phenom- enon. The second robust finite-time controller can compensate external disturbances with unknown bounds. Theoretical analysis shows that both controllers can make a spacecraft following a time-varying reference attitude signal in finite time and guarantee the stability of the overall closed-loop system. Numerical simulations are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

基于反步法的挠性航天器姿态镇定

利用反步法研究了一类挠性航天器的姿态镇定问题,提出一种基于模态观测器的反步控制设计方案.首先,构造挠性模态观测器对挠性模态变量及其变化率进行观测;其次,将角速度看成虚拟控制器,设计虚拟角速度镇定运动学模型与挠性模态变量组成的子系统;最后,利用反步法设计了一种非线性控制器使得角速度能够跟踪虚拟角速度,从而实现姿态镇定的目...     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。