太阳帆航天器被动姿态控制研究

针对由有效载荷、太阳帆和4个控制叶片所组成的太阳帆航天器系统,从物理模型出发,利用欧拉方程建立了姿态动力学模型,并通过数值仿真对太阳帆航天器基于控制叶片的对日定向性能进行了研究。研究结果表明,在行星际飞行中太阳帆航天器可以通过使控制叶片保持偏置来保持姿态稳定。     

阻拦系统动力学建模与仿真

 以Mark 7 Mod 1型阻拦系统为基础,借助其中的油液流量系数的经验公式,将其扩展到Mark 7 Mod 3型阻拦系统。首先,将K-5型凸轮曲线进行扩展,重新设计凸轮曲线,使主液压缸的行程增加到4.65 m,进而增加了阻拦系统的容量,实现阻拦系统的优化。其次,考虑到主液压缸的质量不能被忽略,通过引入绳索的弹性形变,实现了阻拦过程主液压缸惯性、滑轮缓冲装置的惯性和飞机惯性的综合动力学仿真。再次,增加了滑轮缓冲系统,使阻拦系统的液压模型更为准确、完整。最后,在考虑了凸轮阀控制曲线以及锥形阀流量系数等各项参数变化的情况下,研究飞机各状态与阻拦系统中各参数的相互影响情况。     

挠性多体航天器姿态动力学建模与分析

针对带有多个挠性附件以及天线转动机构的卫星等多体航天器．利用伪坐标Lagrange方程建立了系统的姿态动力学模型。通过仿真计算．分析了星体与天线运动的耦合特性．以及挠性附件干扰对卫星姿态的影响．验证了数学模型的正确性。     

航天器自动化测试语言研究

航天器测试语言是支撑航天器自动化测试的形式体系及航天器测试过程标准,在当前多航天器批产网络化测试的新需求下,测试语言标准体系研究对于提高航天器测试自动化水平和保障测试过程安全具有重要意义。通过对现有典型航天器测试语言的全面分析和比较,总结出基本特征,并结合当前先进的网络计算技术,提出了我国航天器测试语言发展的目标和方向,同时针对国内航天器测试语言研究设计工作的不足,给出一种航天器测试语言CATOL(China Aerospace Test and Operation Language)。该研究对提高我国航天器测试业务规范水平和测试人员的工作效率、促进航天器测试自动化研究的发展将起到一定的推动作用。     

飞机大攻角非定常气动力建模与辨识

采用一阶微分方程描述由非线性非定常效应引起的气动力增量 ,从而建立了一种新的飞机大攻角非定常气动力数学模型。研究了模型在缓变运动下的线化形式和动导数表达式。讨论了模型参数的辨识问题。算例证实了所建立的气动力数学模型的正确性和所述模型参数辨识方法的有效性     

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。     

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。     

快速机动大型挠性航天器的动力学建模

建立带附加质量大型挠性航天器大角度快速机动时的动力学模型。在柔性体变形场中计及耦合效应,采用假设模态法和拉格朗日原理建立挠性航天器系统的一阶近似动力学模型。在模型中忽略轴向变形,并用低阶主模态表示横向变形得到控制模型。理论分析和数值仿真表明: 挠性航天器在历经大角度快速机动时会产生动力刚化现象,传统的零次近似动力学模型会产生错误的仿真结果;附加质量对两种模型的系统刚度产生截然相反的作用;低阶简化模型能够较好地反映系统的动力学特性,可用于控制器设计。     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制简

 针对受干扰的刚体航天器冗余执行器存在故障与控制受限的姿态跟踪控制问题,提出一类基于新型指数形式的非奇异快速滑模面（ENFTSM）与趋近律的姿态容错控制器设计方法。当部分推力器发生故障时,假设剩余推力器具有输出饱和特性且能提供足够推力保证航天器执行任务,相比一般终端滑模控制器,本文设计的控制器不仅能使系统状态以更快的速度到达平衡点,且不需要在线对执行器故障信息进行检测和分离。基于Lyapunov方法证明本文设计的控制器能保证闭环系统稳定,且能有效地抑制外部干扰、控制受限和执行器故障等约束。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果表明了该控制器的有效性。     

偏转弹头导弹动力学建模

偏转弹头控制是一种新型的导弹控制方式,精确动力学模型的建立对于导弹性能、稳定性和控制的分析是必不可少的。本文采用多体动力学建模方法中的凯恩(Kane)方法对偏转弹头导弹建立了动力学模型。首先建立合适的坐标系,选取8个变量的速率为广义速率,之后推导了弹身弹头的运动学方程,接着得到广义主动力和广义惯性力,其中将控制弹头偏转的作动力矩视为主动力矩而非理想约束考虑进广义主动力的计算中,最终得到导弹的8个标量动力学方程。推导过程显示凯恩方法比牛顿-欧拉方法推导过程更为简化。利用得到的精确动力学模型进行动态仿真,通过比较研究了采用弹头质心位于弹头偏转铰链中心假设下的简化模型对导弹动态响应的影响,结果显示,在弹头偏转较慢时简化模型会带来较大的动态响应误差。     

空间飞行器姿态的有限时间跟踪控制方法

 针对带不确定项的空间飞行器系统姿态跟踪控制问题,给出一种基于有限时间控制技术的滑模控制方法。使得姿态跟踪误差系统不仅可在有限时间内从任意状态到达滑动面,而且也可在有限时间内沿滑动面收敛到零,并给出了严格的数学证明。为了避免控制律中的颤动问题,一种新的饱和函数被用来代替控制律中符号函数。数值仿真实验说明了该方法的有效性。     

神舟载人飞船流体回路动态仿真研究

以神舟载人飞船流体回路为物理模型,分析了各个部件的工作原理、流动和传热特性,建立起辐射器、泵、阀门、补偿器、冷板和换热器的部件模型。在此基础上建立了流体回路模型,并引入实际控制策略。模型的仿真数据与航天器热平衡试验数据进行对比,结果表明,模型对流体回路各点的温度、压力、系统的流量分配和液体体积变化的补偿都能较好的进行动态模拟,并能够模拟系统控制策略的动态执行情况,可用于流体回路系统控制算法和策略的优化分析。     

Modeling Multifractality of the Solar Wind

The question of multifractality is of great importance because it allows us to investigate interplanetary hydromagnetic turbulence. The multifractal spectrum has been investigated with Voyager (magnetic field) data in the outer heliosphere and with Helios (plasma) data in the inner heliosphere. We use the Grassberger and Procaccia method that allows calculation of the generalized dimensions of the solar wind attractor in the phase space directly from the cleaned experimental signal. We analyze time series of plasma parameters of the low-speed streams of the solar wind measured in situ by Helios in the inner heliosphere. The resulting spectrum of dimensions shows a multifractal structure of the solar wind attractor. In order to quantify that multifractality, we use a simple analytical model of the dynamical system. Namely, we consider the generalized self-similar baker’s map with two parameters describing uniform compression and natural invariant measure on the attractor of the system. The action of this map exhibits stretching and folding properties leading to sensitive dependence on initial conditions. The obtained solar wind singularity spectrum is consistent with that for the multifractal measure on the weighted baker’s map.     

基于输入成形的挠性航天器自适应滑模控制

针对大型挠性航天器姿态机动过程中的振动抑制问题,提出一种输入成形(IS)与自适应滑模控制(ASMC)相结合的控制策略.该控制策略利用输入成形抑制标称挠性系统的残余振动,并通过滑模控制保证实际系统在参数不确定性和外部干扰的影响下实现对标称系统的跟踪,解决了输入成形对参数不确定性和外部干扰的敏感性问题.进一步采用自适应技术去除了滑模切换增益对参数不确定性和干扰上界的先验性要求.仿真结果表明,在参数不确定性和外界干扰的影响下,该控制方法能够保证在完成姿态机动的同时抑制航天器的挠性振动.     

高效强力复合铣A轴的动力学建模与自适应滑模控制

A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件,其控制精度直接影响工件的加工精度和表面质量。针对系统参数摄动和不确定性切削负载对A轴伺服系统控制精度的影响,分析了A轴驱动系统的动静态性能,讨论了驱动扭矩、负载扭矩、运动方向和系统参数之间的相互关系,并建立了系统的非线性动力学模型。基于该动力学模型,设计了自适应模糊滑模控制器（AFSMC）,采用模糊系统对滑模控制律中的非线性函数项进行自适应逼近,并基于Lyapunov理论设计了模糊系统中可调参数的自适应律,同时,在滑模控制（SMC）的切换控制部分采用了指数趋近律。实验结果表明,所设计的AFSMC对不确定性负载扭矩和系统参数摄动具有较强的鲁棒性。与传统滑模控制（TSMC）相比,其在有效减小控制输入抖振的同时,使得跟踪控制精度提高了14.54%。     

Modeling of the Magnetospheric Response to the Dynamic Solar Wind

We discuss quasi-static and dynamic models of the magnetotail response to perturbations imposed by the solar wind, focusing particularly on the formation of thin current sheets, their structure and breakup.     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.