旋转弹的神经网络变质心姿态控制

研究了旋转弹变质心控制系统的姿态控制问题.建立了内部带有n个可移动滑块的导弹系统仿真数学模型,分析了滑块与弹壳间的相对运动对系统运行产生的耦合影响.利用神经网络的自学习性以及自适应特性,设计了基于神经网络控制的姿态控制律来计算系统质心的期望位置.利用最优原理确定了各滑块的期望偏移以实现系统质心位置的改变,从而达到改变导弹飞行姿态的目的,提高了系统的动态响应品质.以带有2个滑块的旋转弹姿态控制系统为例进行非线性仿真,证明了所设计控制律的有效性.      

基于参数辨识的大型航天器自适应角动量管理

航天器姿态控制/角动量管理(ACMM)通过调整航天器姿态使引起控制力矩陀螺(CMG)角动量积累的扰动力矩相互抵消,从而有效减小用于CMG卸载的燃料消耗.设计的基于在线参数辨识的自适应ACMM控制器由在线参数辨识回路和反馈线性化回路构成.反馈线性化回路通过状态变换以及相应的输入变换,将原ACMM系统精确等价为一线性系统,通过线性控制器的设计得到适用于原系统的非线性控制律.在线辨识回路利用闭环控制信息对航天器质量特性进行辨识,弥补了反馈线性化对系统模型参数敏感的不足.以空间站组合体舱段转移任务为例进行的数学仿真显示,控制器在力矩平衡姿态(TEA)远离对地定向姿态时具有良好控制性能.     

三维充液航天器的位置和姿态联合控制

考虑充液月球着陆器悬停避障阶段的控制问题,采用三维球摆作为液体晃动部分的等效模型.针对球摆与刚体耦合的三维动力学模型,给出动力学模型的矢量方程及各矢量在本体系的投影坐标,设计位置和姿态联合控制器.所设计的控制器可以稳定航天器刚体的位置和姿态,且只依赖刚体的位置和姿态,不依赖晃动角或者动力学方程,利于工程应用.利用LaSalle不变原理分析闭环系统的稳定性,给出期望姿态为竖直时系统渐近稳定的控制器参数选择依据.最后数值仿真验证控制方法的有效性.     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

环路参数对数字闭环加速度计动态特性影响

数字闭环石英挠性加速度计在纯积分控制器下带宽仅有10 Hz左右,需要通过调整伺服电路结构参数来改善系统动态性能.针对这一问题,且为保证系统的无差性,设计了位置式比例积分控制器.建立闭环系统数学模型,利用隐函数求解的方法,得到了环路参数（包括采样点数、比例系数及积分系数）与系统闭环带宽的关系,同时分析了环路参数对系统稳定性及静态精度的影响.搭建系统实验样机并进行闭环带宽及零偏稳定性测试.结果表明,闭环系统带宽与环路参数成正相关关系,其中改变比例系数对系统动态特性的影响最为显著.实验结果与理论分析一致,为数字闭环加速度计动态特性调整提供理论依据及实验指导.      

基于降阶ESO的微小型空地导弹改进LQR滚转控制

摘要： 由于投弹包络范围大及复杂多变的飞行环境,模型存在高度不确定性、外界阵风干扰以及弹体内部强扰动等,使得导弹滚转姿态具有一定控制难度;另一方面,对于弹翼展弦比小的轴对称微小型空地导弹来说,其结构特性的原因使得基于二回路经典控制论下的滚转姿态得到的控制品质较差,且鲁棒性及抗干扰能力弱.因此提出采用降阶ESO估计内外强干扰及不确定性等复合干扰并进行实时前馈补偿,在简化标称模型基础上利用最优控制思想即带有积分项的LQR稳定区间法来设计控制器,实现无静差稳定跟踪响应的复合控制方法,以此来提高弹体滚转姿态的动态特性、鲁棒性及抗干扰能力,并进一步证明其闭环稳定性,由仿真得出此复合控制方法优越性的结论.     

导弹中制导末段的最优搜索

研究超视距导弹中制导末段利用导弹的剩余动力,自动搜索活动目标,使目标捕捉概率达到最大的最优搜索问题.给出了活动目标的位置概率分布;提出了基于活动目标位置概率分布的导弹搜索航线的规划方法;拟订了搜索系统的组成方案并对系统进行了设计;对该系统进行了仿真,验证它的活动目标的捕捉概率.     

自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

变质心固定翼无人机动力学分析与抗扰控制

变质心无人机具有气动效率更高、隐身性能更好、机翼结构更加简单等优点。提出了时滞更小、结构更加简单的单滑块变质心无人机布局方案，分析了滑块参数对变质心无人机动力学特性的影响，在此基础上给出了滑块的理想安装位置，并研究了变质心无人机布局方案控制效率随速度的变化情况。针对变质心无人机强耦合、强非线性的特点，基于粒子群算法(PSO)设计了自抗扰控制器(ADRC)，其中扩张状态观测器估计出包含耦合和参数摄动的总和扰动项，并基于此进行动态补偿。仿真结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。      

欠驱动变质心飞行器的滚偏耦合自抗扰控制

针对单滑块滚控式变质心飞行器的欠驱动问题,提出基于自抗扰思想的控制器,利用横向配置单滑块实现指令滚转角跟踪和侧滑角镇定控制。应用质点系动量矩定理建立了系统姿态动力学模型,分析表明,滚转和偏航通道拥有同一控制输入,且存在滑块惯性和运动耦合,滑块横向偏移会影响偏航通道。为此,设计自抗扰控制（ADRC）器进行滚偏耦合控制,将模型误差、滑块耦合和不确定干扰视作总和扰动,对滚转角跟踪子系统和侧滑角镇定子系统同时进行状态观测和总和扰动动态补偿,该控制器能够较好地抵抗系统内外干扰,且结构简单、易于实现。摄动仿真结果验证了所提控制器的有效性和鲁棒性。      

并联式运载器的垂直发射建模与控制

为了有效控制垂直发射时并联式运载器的运动,设计了一个用于垂直发射的姿态控制方法,首先分析了欧拉运动学方程存在的奇异点,在此基础上给出了采用四元数描述的姿态运动学方程,建立了并联式运载器的姿态动力学模型,其次给出了并联式运载器的推力矢量模型,基于数学模型对推力矢量在不同配置方式下的控制效率进行了比较,最后给出了保证四元数收敛的切换函数,应用变结构控制理论设计了对于满足一定条件的不确定性具有完全鲁棒性的姿态控制律.仿真结果表明了该姿态控制方法的有效性.      

小卫星动平衡研究--质心不对中对姿态的影响

首先定性分析质心不对中对星体动力学特性的影响，然后由拉格朗日第二类方程导出引力场下星体运动方程的矩阵表达式，最后以50kg级长方体3轴稳定小卫星为例，分析不同初角速度和不同时间历程情况下质心不对中对星体运动姿态的影响，并分析其对星体运动稳定性的影响．本文研究为同类品种小卫星的构型设计、姿态控制系统设计以及制定卫星动平衡精度提供依据。     

Modeling and attitude control of CubeSat utilizing moving mass actuators

Any vehicle propelled by solid rocket motors (SRMs) must include an attitude control system capable of dealing with the torque generated by thrust misalignment. In order to expand the application of SRMs on CubeSats, an attitude control system utilizing moving mass actuators is discussed. The present research develops an eight-degree-of-freedom simulation model of a 2U CubeSat with two moving mass actuators. That model also considers the influence of propellant combustion processes. By analyzing the model disturbance source and systematic coupling, the key layout parameters are designed and a simplified control model is proposed. The controller is derived based on a combination of backstepping and sliding mode techniques. An orbit maneuver from 300 km circular orbit to 300 and 500 km elliptical orbit using this attitude control system is verified.     

星载运动附件扰动抑制方法研究

为改善高分七号卫星（GF-7）在附件（特别是双轴定向天线）运动时的姿态稳定度,研究了星载附件指向运动平滑及其扰动抑制方法。首先,针对卫星姿态扰动主要来源于对地数传天线对地面通信目标的快速捕获运动的情况,通过引入具有角速度全局光滑性的路径平滑技术对天线的目标捕获过程进行规划;其次,针对含有双轴运动天线的整星姿态运动,建立了适用于任意星体运动速度下的一般动力学方程,并进行了对比验证。进而根据规划后的天线运动引起的扰动力矩对姿态控制系统引入前馈补偿,从而抑制天线运动对整星姿态的扰动影响。基于提出的扰动抑制方法进行数值仿真,结果表明,运动平滑与力矩补偿结合的协同控制技术可将天线扰动削减90%以上。     

飞行器相对姿态运动的静力学、运动学和动力学方法

文章系统地研究了飞行器相对姿态运动描述问题 ,提出了求解相对姿态运动的静力学方法、运动学方法和动力学方法 ,特别是在动力学方法中 ,提出了飞行器相对姿态运动的角加速度合成定理。所得结果可作为飞行器相对姿态运动的分析和数值仿真的理论基础 ,并为今后进一步研究飞行器相对运动制导和控制问题打下基础     

Dynamics and operation optimization of partial space elevator with multiple climbers

This work studies the dynamics and optimal stabilization method of a partial space elevator (PSE) system with multiple climbers. All satellites and climbers are assumed as lumped masses that are connected by straight, massless, and inextensible tethers. A general dynamic model is derived for the PSE with multiple climbers. It is found different climber moving patterns of climbers have major influence of dynamic behavior of PSE. Optimal control is used to develop optimal operation modes to suppress the libration of PSE with multiple climbers. Moreover, a new operation mode is proposed to approach the desired mission objectives. It is found that all libration angles can be suppressed to zero by the end of the transfer period if two climbers can be kept at a constant speed. At the same time, the magnitudes of libration angles can be kept bounded by regulating the speed of the middle climber relative to other two climbers.     

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。     

卫星光轴复合指向控制方法研究

卫星平台搭载光学载荷对空间运动目标进行跟踪指向技术已经成为卫星发展的重点,为了提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性,仅依靠卫星的姿态调整已无法提升卫星光轴的性能。通过对由卫星姿态、星载光电转台和快反镜组成的卫星复合光轴指向系统的分析,需三者协同工作,输出有效叠加,才能有效提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性。对卫星姿态控制系统、星载光电转台控制系统、快反镜控制系统进行研究建模后,确定了三者的作动频带。通过建立辅助PQ单位反馈系统,运用频率响应法设计复合指向控制器,模拟某轨道的卫星与跟踪目标的相对运动轨迹作为仿真模型的输入。仿真数据表明卫星光轴的跟踪指向误差由0.6°下降到了0.05°,证明了复合指向控制律有效提升了卫星光轴的性能。