太阳帆航天器姿态机动的复合控制研究

输入成型法无法消除姿态机动过程中的柔性振动,残留的柔性振动将改变大柔性太阳帆航天器的结构参数,影响姿态机动的控制精度。为此,基于两种控制手段（作用于太阳帆中心的喷气和作用于支撑杆顶端的电推进）的组合,提出复合控制方法,以消除姿态机动过程中的柔性振动。采用将帆面质量等效到支撑杆的简化方法,建立太阳帆航天器姿态运动与柔性振动的耦合动力学模型,并从减小振动模态的外加激励出发,根据简化的动力学模型,得到了两种复合控制的设计方法：消除某一阶的柔性振动方法和减小前n（n>1）阶的柔性振动方法。仿真结果表明,相比输入成型法,第二种复合控制方法不但机动时间短,还能够将姿态机动过程中的柔性振动抑制到5%,使机动角度精度优于0.003°。由于仅利用已有的控制手段,复合控制方法算法简单,适合于实际应用。     

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.     

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.     

刚体航天器大角度姿态机动控制算法

针对刚体航天器在参数不确定及环境扰动情况下的大角度姿态机动问题,提出一种自适应离散变结构姿态控制算法.建立包含航天器姿态运动学及动力学的仿射模型,并精确反馈线性化解耦;对得到的各线性动态方程离散化处理,由离散指数趋近律推导了参数化的离散变结构姿态控制律.最后基于Lyapunov稳定性理论设计了控制参数的自适应更新律,有效克服了模型中的各时变项及干扰项影响.仿真结果表明,该算法可有效减小干扰引起的姿态指令角跟踪偏差,确保了大角度姿态机动控制的精确性与鲁棒性,并且消除了常规变结构控制的抖振现象.     

挠性航天器姿态机动时间最优控制研究

针对挠性航天器单轴姿态快速机动的控制问题,将系统的模型处理成非约束模型,采用极小值原理求解了问题的时间最优控制律,并结合边值条件推导了时间最优控制的切换时间应满足的充要条件.利用切换时间所满足的非线性方程组分析和证明了时间最优控制的对称性及满足的条件:在不考虑阻尼系数时,问题的时间最优控制是机动时间上的对称函数.利用这个规律,对刚体+1阶挠性模态的时间最优姿态机动问题进行了解析求解.针对挠性模态阶次较高时难以求解非线性方程组的问题,将模型离散化,把问题处理成一系列受约束的最小二乘优化问题来求解,数学仿真表明了该方法的有效性.     

带有不确定参数的挠性航天器机动控制

将输入成型技术与闭环反馈控制结合设计,实现航天器机动控制中挠性附件的振动抑制.针对挠性航天器姿态机动过程中,系统惯量、模态矩阵等参数的不确定性对输入成型器抑制挠性附件振动的影响,提出基于最大允许残余振动的输入成型器建模参数的计算方法,并量化分析不确定参数对挠性附件振动的影响,为选择合适的成型器提供定量的理论依据.该方法可降低传统输入成型器设计的保守性,有利于提高控制性能.仿真结果表明,将系统存在的不确定参量考虑在内,系统振动抑制效果要优于不考虑的情况.     

充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉–伯努利梁,运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰,设计干扰观测器对其进行补偿;在干扰观测器的基础上,设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进,达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明：所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动,而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动,具有更好的控制性能。     

基于粒子群算法的航天器姿态机动路径规划

研究航天器在星载设备受多种几何约束情况下,大角度姿态机动时的姿态路径规划问题.采用罗德里格斯参数描述姿态,将姿态机动路径规划问题转化为点机器人的三维路径规划问题.基于粒子群优化技术设计了航天器复杂约束下大角度姿态机动的路径规划算法.数值仿真结果表明,该方法对于复杂约束下航天器姿态机动的运动规划是有效的.     

航天器轨道机动过程中的自主导航方法

典型的航天器自主天文导航方法利用地球敏感器和星敏感器的观测信息,根据轨道动力学模型和测量信息,采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）估计航天器位置矢量。为了在航天器轨道机动过程中减小滤波器的估计误差,设计了用于航天器自主导航的自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。仿真结果表明,采用AREKF算法能够有效地减小推力不确定性的不利影响,在不增加导航敏感器的前提下改善系统的导航性能,取得优于传统EKF算法和自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）的估计精度。     

带VSCMGs的航天器姿态稳定及功率补偿控制

基于变速控制力矩陀螺群动力学模型建立其复合控制方程和分系统解耦约束方程,用矩阵投影方法同步设计得到航天器姿态与能量一体控制复合操纵律,利用Lyapunov方法分析了转子轴向惯量误差对姿态控制分系统的影响.根据飞轮转子轴向惯量与功率输出之间的误差关系设计出功率控制补偿器.复合操纵律中的力矩和功率两解形式相同,约束方程使得姿态与能量控制两分系统解耦,便于进行考虑执行机构特性的闭环控制系统性能分析.考虑飞轮转子轴向惯量误差时,姿态控制分系统的输出耗散特性使其能够保持稳定,而功率控制分系统输出误差与转子轴向惯量误差成比例关系,经过补偿后功率输出能满足控制要求.     

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.      

考虑燃料晃动效应的航天器自适应滑模姿态控制

针对一类带有球形储液箱的航天器,在将其等效为单摆模型的基础上,分析了系统方程的特点,将系统的状态变量分为两部分,并考虑到在航天器机动过程中燃料消耗作用的影响,导致系统方程中的三个重要参数发生变化.基于以上原因,设计了一种自适应分层滑模控制器,采用李雅普诺夫函数法求取自适应控制律和总的控制量,保证闭环系统的稳定性.最后通过仿真验证这种控制器设计不仅可以使系统姿态在短期时间之内达到稳态,还同时抑制了液体晃动产生的影响.     

挠性航天器智能模糊控制算法

针对挠性航天器滑模变结构姿态控制器控制力矩的高频抖振问题,提出一种挠性航天器智能模糊控制算法。该算法使用模糊控制算法对航天器控制参数进行模糊化智能处理,能够有效改善控制器控制力矩的高频抖振问题。首先将模糊控制算法与滑模控制算法结合,根据切换面趋近律系数模糊化处理;然后应用连续饱和函数代替符号函数设计姿态控制器;最后通过算法到达滑模面的程度调整边界层厚度,在保证控制力矩不发生抖振情况的同时有效控制滑模面边界层的厚度。仿真结果证明,提出的智能模糊控制算法能够有效改善挠性航天器控制力矩的高频抖振问题,同时可以加快挠性航天器低阶模态振动曲线的收敛速度。     

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。     

冗余飞轮姿控系统控制分配与重构研究

针对具有多冗余执行机构的航天器姿态控制系统,给出了处理冗余的控制分配方案,该方案考虑了幅值和速度约束条件并实现了二次最优．仿真验证了分配环节的有效性,并比较了不同求解算法下的动态分配效果．针对执行机构可能出现的故障,提出了结合故障诊断与隔离系统的执行环节控制重构方法,实现了机构故障下的容错控制,通过卫星姿态跟踪控制仿真,验证了分配和重构环节与控制回路的相容性．     

一种无角速度信息的挠性航天器姿态控制方法

研究了一种无角速度信息挠性航天器的姿态稳定控制方法。针对挠性航天器陀螺故障或无陀螺配置中无角速度测量信息情形下的姿态控制问题,基于姿态四元数设计了姿态定点调节的无速率控制器,利用Lyapunov方法和LaSalle不变原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性,并对控制方案进行了改进。仿真验证了控制律的有效性。     

基于数据驱动的非合作航天器姿态估计与预测方法

针对临近操作对非合作航天器的相对导航问题,考虑角速度测量缺失以及视觉特征丢失,提出了一种融合乘性扩展卡尔曼滤波和姿态预测的框架,实现了对非合作航天器的姿态估计和预测。采用惯性参数对状态向量进行了扩维,在缺少角速度测量的情况下预估了非合作航天器的姿态和相对转动惯量的比值。基于函数拟合和神经网络分别设计了两种姿态预测方法,解决了传统方法误差随时间累积的问题,有效减少了计算成本。最后,通过数值仿真验证了滤波估计和姿态预测算法的实时性和准确性。     

Dynamic modeling and multi-stage integrated control method of ultra-quiet spacecraft

Space telescope ultrahigh precision pointing control requires the spacecraft platform to provide an ultra-quiet working environment. Vibration isolator rejection control and the multi-stage integrated control method is believed to be one of the best methods to improve the space telescope attitude control performance. In this paper, the fine dynamics model of multi-stage spacecraft systems is presented and the multi-stage integrated controller design techniques are provided. Effectiveness of the multi-stage integrated control approach is demonstrated by both the numerical simulation and experiment results. An integrated design and demonstrated experimental environment is developed for high-fidelity control performance assessment. The verification experiments for the space telescope attitude control and vibration control are carried out. The results show that the pointing accuracy and stability of the line-of-sight (LOS) for space telescope are improved at least one order by the multi-stage integrated control method.