飞轮控制的欠驱动刚体航天器姿态控制器设计

针对"三正交加斜装"反作用轮系统中某两个本体轴上的飞轮失效的欠驱动情况,研究了航天器的姿态控制问题.在系统初始角动量为零的条件下,设计分段解耦控制律,实现了姿态稳定.采用欧拉角描述法建立了欠驱动航天器的姿态动力学方程和运动学方程.在系统初始角动量为零的条件下,通过分析方程的解耦特性,设计了分段解耦控制律.该方法经过6次机动控制,可实现姿态稳定.数值仿真验证了方法的有效性.     

基于偏置角动量的欠驱动航天器姿态保持控制

对有扰情况下欠驱动航天器三轴姿态保持控制问题进行了研究,提出一种基于俯仰偏置动量轮和滚动轴推力器的姿态保持控制方法。该方法基于偏置动量航天器滚动-俯仰轴耦合的原理实现,避免了欠驱动零动量航天器平衡点附近欠驱动轴耦合弱的问题;将航天器的姿态运动分为长周期运动和短周期运动,用极点配置方法进行控制律设计,给出保证系统稳定的参数选取范围,求出了系统稳态误差。最后,通过数值仿真验证了所设计的控制器不但能快速消除初始姿态偏差,而且能抵抗外干扰将航天器姿态保持在平衡点附近。     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

欠驱动航天器滑模速率阻尼控制

针对具有推力器执行机构的航天器,在一轴推力器失效的情况下,设计滑模变结构速率阻尼控制器,证明系统的稳定性;分析控制器的抗干扰能力,给出控制器参数选取的指导原则;通过将惯量积视为外界干扰的方法,解决了非对角惯量阵航天器的欠驱动控制设计问题.从工程实际情况出发,考虑了推力器的开关工作特性、角速度测量幅值受限、外界干扰和非对角惯量阵的影响.最后通过数学仿真验证了控制器的有效性和工程实用性.     

航天器相对姿态跟踪的非线性前馈控制

针对航天器相对姿态跟踪过程中严重的非线性及控制器设计的复杂性,建立了基于修正罗德里格斯参数的航天器相对姿态运动学和动力学方程并根据Lyapunov直接法设计了非线性前馈控制律.设计的控制律不仅保证闭环系统稳定,还使得航天器相对姿态跟踪误差快速收敛到零点邻域内.通过在Matlab/Simulink环境下对航天器相对姿态跟踪进行数值仿真,验证了建立模型和设计控制律的有效性.     

飞轮转速过零时卫星姿态的非线性控制

当飞轮转速过零时,摩擦力矩发生非线性变化,控制作 用力矩出现不确定性,从而影响卫星的姿态控制性能。文章基于一种具有鲁棒性的非线性控 制方法,发展了简单、可靠和稳定的非线性反馈控制律。仿真实例表明,该方法能够有效地 抑制反作用飞轮转速过零时引起的姿态扰动,从而实现高精度的卫星姿态控制。     

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．     

空间平台姿态联合控制律设计

空间平台发射有效载荷会对平台姿态产生很大的扰动,为快速消除扰动影响并使平台稳定,选取推力器与反作用飞轮进行姿态联合稳定控制,提出了基于推力器的极小时间控制律和基于反作用飞轮的滑模变结构控制律,前者用于快速抑制扰动,后者用于姿态精确稳定,并提出一种控制律切换方法.对空间动能发射后平台的姿态稳定过程进行数学仿真,结果表明,设计的姿态联合控制律能够快速抑制平台姿态扰动,最终消除挠性部件振动达到精确稳定.     

空间平台姿态联合控制律设计

空间平台发射有效载荷会对平台姿态产生很大的扰动,为快速消除扰动影响并使平台稳定,选取推力器与反作用飞轮进行姿态联合稳定控制,提出了基于推力器的极小时间控制律和基于反作用飞轮的滑模变结构控制律,前者用于快速抑制扰动,后者用于姿态精确稳定,并提出一种控制律切换方法.对空间动能发射后平台的姿态稳定过程进行数学仿真,结果表明,设计的姿态联合控制律能够快速抑制平台姿态扰动,最终消除挠性部件振动达到精确稳定.     

非线性欠驱动不稳定系统的自耦PID控制方法

针对非线性欠驱动不稳定系统的控制问题,提出了一种基于自耦PID(auto-coupling proportional-integration-differential, ACPID)控制理论的虚拟全驱动控制方法.该方法将每个输入通道的已知或未知内部动态定义为一个总扰动,并在第一个输入通道引入相应的虚拟控制力,从而将非线性欠驱动不稳定系统等价映射为虚拟全驱动的线性扰动系统,并根据ACPID控制理论建立第一个输入通道的虚拟控制器,形成虚拟指令,再根据获得的虚拟指令与ACPID控制理论建立下一个输入通道的控制器,以实现非线性欠驱动不稳定系统的有效控制.仿真结果验证了本文控制理论方法的有效性,在非线性欠驱动不稳定系统控制领域有广泛的应用前景.     

控制受限航天器无角速度反馈姿态控制

重点研究了控制受限和角速度不可测情况下航天器姿态快速跟踪问题。首先定义了四元数辅助系统,并设计了包含实际误差四元数和观测误差四元数的双曲正切函数的非线性控制律;然后,证明了系统的稳定性以及控制量的有界性;最后通过数字仿真与已有的方法进行比较研究,说明该方法能大大提高卫星姿态跟踪精度和响应速度。     

刚体卫星姿态的有限时间控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,设计了不存在和存在扰动力矩两种条件下的有限时间状态反馈控制律.对于无扰动力矩情形,基于非线性齐次系统性质,设计了一种便于工程实践性的连续、非奇异的比例微分形式控制算法,保证姿态闭环系统有限时间收敛到零点,而且此算法能直接推广到卫星姿态跟踪问题.对于存在扰动力矩的情形,基于有限时间Lyapunov定理设计的连续、非奇异的控制力矩保证卫星姿态和角速度在有限时间内收敛到原点附近的邻域.当外扰力矩为零时,此控制律使闭环系统状态有限时间收敛到平衡点.数学仿真结果说明了提出的控制算法有效.     

零动量轮卫星姿态控制系统研究

针对零动量轮卫星控制系统解耦和进动抑制问题,提出了一种新的进动抑制方案。分析了仅靠飞轮控制的零动量轮卫星系统的稳定性。将偏置动量轮卫星的进动和章动抑制原理引入零动量控制系统,并针对零动量轮卫星自身特性,对磁控制规律进行改进,解决了不解耦情况下零动量轮卫星的进动抑制问题。仿真结果验证了所提方案的可行性和有效性。     

一种轮控卫星姿态机动变结构控制器

针对小卫星3轴反作用轮姿态控制系统的非线性特性,应用误差四元数来描述姿态运动,将星体大角度姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题.利用误差四元数和误差角速度建立滑动模态,并基于Lyapunov定理推导出一种姿态机动的引入角加速度负反馈的变结构控制律.仿真结果表明,该控制律能够提高收敛速度,降低机动过程中角速度的超调量和对起始力矩的要求.同时,在模型参数不确定和有外干扰的情况下该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型,利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况,同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性,设计自适应输出反馈无源控制,其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理,证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定,而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.     

基于动量轮的航天器全姿态捕获技术

全姿态捕获是指航天器丢失姿态基准而需恢复正常姿态或者定向新姿态目标时的一种控制过程.以往卫星全姿态捕获控制过程一般采用喷气推进系统或磁力矩器作为执行机构,这些方法需要消耗燃料或捕获时间长.提出了一种基于动量轮的全姿态捕获方法,采用的部件为卫星的常规配置,可以实现对任意目标的定向,该方法克服了以往方法的缺陷,在轨验证结果表明该方法有效、工程可操作性强.     

自旋飞行器姿态运动的动态-测量系统建模

模型化处理是飞行器测控工程的重要技术之一。文章以在轨自旋飞行器的姿态运动为研究对象,采用动力学分析的方法,不仅实现了姿态角演化微分方程与转动角速度微分方程的严格解耦,而且提出并建立带关联方程的动态-测量系统模型。基于该系统模型和扩展Kalman滤波/预报算法,建立了姿态角最优估计和转动角速度高精度估计算法。