舱外机动装置姿态自适应控制研究

舱外机动装置是一种帮助宇航员在航天器舱外活动的机动装置,航天员自身的质量特性的不确定性使得其姿态控制问题为非线性时变,并且带有不确定参数的系统的控制问题,传统的控制系统理论难以处理该问题.自适应控制指令跟踪法用于舱外机动装置的姿态控制系统以应付质量特性不确定性的影响,研究结果表明该方法可以实现对舱外机动装置姿态机动和稳定控制,具有良好的抗干扰性和控制鲁棒性,姿态控制精度达到0.5°,姿态稳定度达到0.1 °/s.      

挠性航天器退步自适应姿态机动及主动振动控制

针对带有分布式压电陶瓷执行机构的挠性航天器姿态机动与主动振动控制问题,提出了一种退步直接自适应一体化控制方法.首先,建立了挠性航天器姿态机动与主动振动控制的模型,并分析了动力学子系统的近似严格正实性;然后,采用退步直接自适应控制方法,设计了挠性航天器的姿态机动主动振动控制器,并证明了控制闭环系统的稳定性;最后,进行了不同仿真条件下的数学仿真验证.理论分析与数学仿真结果表明,该控制方法不依赖航天器参数,对系统参数不确定性具有强鲁棒性,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.     

气球吊篮姿态的自适应控制

本文从理论上分析了吊篮姿态控制系统数学模型中参数的不确定性,并且通过数字仿真和实验验证了这种不确定性对系统控制性能的影响.为保证得到良好的控制特性,在Popov超稳定理论的基础上,引出了气球吊篮姿态的模型参考自适应控制法.本文推出一套具有时变自适应增益的离散自适应算法,并在此基础上进行了大量数字仿真.仿真结果表明,吊篮姿态的模型参考自适应方法可以解决吊篮姿态的经典控制方法难以应付的参数大幅度变化、参数未知和非线性等问题.另外,与其它自适应方法相比,该方法还有自适应速度快、工程上易于实现等优点.      

基于特征模型的挠性充液卫星姿态控制

采用一种改进的基于特征模型的黄金分割自适应控制方法来解决带有挠性附件和液体晃动的大型卫星远地点机动时的姿态控制问题.根据卫星动力学方程推导特征模型,以动力学特点引入角速度信息构建一种改进的黄金分割自适应控制方法,通过数值仿真加以验证.仿真结果表明,该方法相比传统PID控制,能在不增大控制能量消耗的前提下改善系统控制性能.     

非合作机动目标交会的相对位置控制

研究目标航天器存在机动的情况下追踪航天器与目标航天器的交会问题.只利用两航天器之间的相对位置测量信息,考虑目标机动、外部干扰以及状态耦合,提出一种改进的特征压缩方式并建立相应的解耦特征模型,基于该特征模型设计解耦的自适应控制方法实现追踪航天器与机动目标航天器的交会.仿真结果验证了算法的有效性,并表明其优于传统的PD控制方法.     

基于指令滤波的低频挠性航天器振动控制方法

在经典的Bang Bang姿态机动指令基础上,通过滤波处理,结合姿态跟踪控制器,使航天器在姿态机动时跟踪设计的机动路径,实现了机动过程中低频挠性模态的振动抑制,并通过物理试验系统进行了验证.由于所采用的滤波器在形式以及参数设计上,均可采用传统的结构滤波器的形式和设计方法,因此使滤波器的设计均有章可循,避免了其它机动路径方法,如加速度指令规划、多项式指令规划等参数设计依据经验与数值仿真进行调试的问题.利用数学仿真设计方法进行了验证,发现采用滤波方法后,机动到位后稳定的时间与模态的振动周期相当,在几秒钟量级,相对传统的Bang Bang控制,稳定时间缩小80％以上;最后构建物理试验系统,同样验证了方法的有效性和结论的正确性.     

一类不确定快时变系统的确保性能鲁棒自适应控制

本文研究了一类一阶不确定快时变系统的确保跟踪性能控制问题.通过引入一个状态变换,将带性能约束的控制问题转化为无约束问题,提出一个鲁棒自适应控制律.该控制律除能确保原系统满足给定的性能约束外,还使得新的状态变量的最终界只和某些控制器参数有关.由于控制器参数已知,因此本方法对该最终界有较好的估计.数值仿真验证了该方法的有效性.     

高超声速巡航飞行器在线自适应反馈控制设计

由于飞行器模型的强非线性,各种建模不确定性以及飞行环境的复杂性,高超声速飞行器控制成为一个研究难点.针对某类具有参数不确定性的非线性系统,提出了一种反馈线性化与自适应估计相结合的方法,对非线性系统的输入输出动态应用反馈线性化处理以得到拟线性模型,并设计反馈控制律;对不确定参数采用自适应在线估计,利用Lyapunov方法分析稳定性;针对选择不同输出的情况,对如何消除内动态进行了讨论.为了验证该方法的可行性,将其应用于某高超声速飞行器巡航段纵向非线性模型,对速度和高度通道进行跟踪控制仿真,由于飞行器和大气环境存在建模不确定性,利用自适应控制对不确定参数进行在线估计.仿真结果显示该方法能够快速收敛,并且具有良好的在线自适应能力.     

舱外航天服热设计技术

提出了舱外航天服热设计技术的研究内容,回顾了国内外在该领域的研究现状.分析了二维冷／热宽温度范围内的人体热调节系统、手指温度仿真以及液冷通风系统传热传质过程,建立了舱外航天服热设计仿真技术平台.通过人体热生理实验对该热设计仿真技术进行了验证.      

基于直接自适应的挠性航天器姿态稳定控制

针对挠性航天器姿态稳定控制,基于退步控制方法与直接自适应控制方法提出了一种自适应控制策略。首先将挠性航天器模型分解为运动学子系统和动力学子系统,并设计具有理想控制性能的参考模型;然后在姿态小角度的假设下,对满足近似严格正实性的姿态运动学子系统设计了直接自适应中间控制律;最后运用退步控制方法对航天器动力学子系统设计了姿态控制器,并证明了闭环系统的稳定性。理论分析和数值仿真结果表明该控制器对挠性航天器的姿态稳定控制是有效的。     

基于多点逆模型组的直升机慢切换姿态控制

针对传统直升机自适应模型逆姿态控制方法中单点逆模型的不足,提出基于多点逆模型组的慢切换控制方法.该方法构造多点逆模型组取代单点逆模型,将直升机姿态误差控制系统转化为切换系统;引入驻留时间的概念,构造慢切换逻辑,从理论上给出了系统的稳定条件.与传统方法进行了对比仿真,结果表明:该方法有效地减轻了自适应元件的补偿负担,显著提高了其控制性能;系统在切换过程中保持稳定,并具有较强的性能鲁棒性.     

基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制

针对航天器通信和计算资源约束以及执行器故障场景下的姿态控制问题,提出了一种基于事件触发的航天器姿态自适应容错控制策略。首先,采用自适应方法估计故障信息、外界扰动等系统中未知参数,并引入事件触发机制,在执行器故障下实现容错控制的同时,节约星载计算机的计算资源。然后,基于李雅普诺夫方法证明了所提出的控制策略保证了闭环系统状态全局一致且最终有界稳定,并能有效避免Zeno现象,保证了执行器故障场景下对姿态的精确控制。最后,应用于航天器的姿态稳定试验,仿真结果验证了该方法的有效性。     

Adaptive sliding mode fault-tolerant control for satellite attitude tracking system

In this paper, an adaptive modified sliding mode control approach is developed for attitude tracking of a nano-satellite with three magnetorquers and one reaction wheel. A sliding variable is chosen based on finite-time convergence of the nano-satellite attitude tracking error and avoiding the singularity of the control signal. The control gain of the proposed method is developed adaptively to reduce the tracking error and improve the closed-loop control performance. The sliding variable and adaptive parameter are also employed in the reaching phase of the control law to decrease the chattering phenomenon. In addition, the finite-time convergence of attitude variables in the presence of actuator faults, inertia uncertainty, and external disturbances is proved using the extended Lyapunov theorem. The simulations are conducted to evaluate the performance of the proposed method according to different evaluation criteria. Monte Carlo simulations are also used to survey the reliability of the system in the presence of the mentioned condition.     

Stacked recurrent neural network based high precision pointing coupled control of the spacecraft and telescopes

In some space missions especially in the field of space gravitational wave detection, the telescope needs to point to a certain target through attitude movement and pointing control. In several mainstream gravitational wave detection missions, the detector usually consists of a cluster of three identical satellites, flying in a quasi-equilateral triangular formation with a big edge length, so every satellite needs two telescopes to point each other and constitute three giant Michelson-Type interferometers. Therefore, a satellite platform system with two telescopes is researched in this paper. This research helps to characterize the attitude motion of a telescope for space astronomical observation or space gravitational wave detection, provides new method on the telescope’s high-precision pointing control. For this purpose, we derive a satellite-telescope coupling attitude model, design the sliding mode controller for satellite and the stacked recurrent neural network adaptive controller for telescope. In the stacked recurrent neural network adaptive controller design, a sliding mode control technology is adopted. In addition, we propose a combinatorial optimization method for network weights in the stacked recurrent neural network training process, that is, the output layer is corrected by the adaptive law, and the correction of other layers adopt the error backpropagation method. Finally, a numerical simulation method verifies the effectiveness of the controller design.     

基于神经网络的多卫星姿态协同控制预测模型

摘要： 针对多卫星近距离对空间目标监测中的姿态协同控制问题，研究基于神经网络的智能控制模型.首先设计了面向任意姿态控制方法的神经网络自适应控制模型，该模型不改变卫星姿态控制方法本身，而是接收由理想控制模型生成的理想控制量，理想控制量经过神经网络后直接生成适用于卫星的控制量.根据神经网络对控制系统的系统级状态预测，基于一致性控制协议，设计了多卫星姿态协同控制模型.采用等效姿态角，通过数值仿真，分别验证了预测控制方法、输出状态预测、协同控制的方法正确性和有效性.     

一类航天器智能自适应控制方法探讨

针对现代航天器对控制任务的需求特点,基于航天器对象特征模型知识描述,提出了具有多层结构的智能自适应控制系统概念。作为本方法的原理基础,分别给出了关于一类高阶对象的低阶时变等效模型的定理及其推论;以及广义补偿基本定理及其推论;然后介绍智能自适应控制器三个层次的基本设计要点。最后对带有太阳帆板展开的航天器姿态控制进行了仿真研究,结果初步表明本智能自适应控制方法的有效性。     

基于无源性的航天器姿态跟踪控制设计

考虑到机器人和航天器都是非线性力学系统,利用在机器人控制研究中发展起来的基于力学系统无源性的控制设计方法,在统一的理论框架内,根据航天器模型不确定性的不同情况,设计了多种姿态跟踪自适应和变结构控制律,并证明了闭环系统跟踪误差的收敛性。     

带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响,自适应控制能够合理地估计参数,使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数3组,按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型进行变换,采用Lyapunov方法设计出姿态控制器、变速控制力矩陀螺群操纵律及参数自适应更新律,操纵律中引入加权矩阵以缓解陀螺奇异问题。理论分析和数值仿真表明闭环姿态控制系统全局一致最终有界稳定,参数自适应更新能有效减小角速度跟踪误差,使姿态四元数误差收敛更快。参数估计虽然不能准确收敛到其真值上,但均在可接受的范围内。