一种航天器姿态控制与振动抑制的优化设计方法

针对采用分布式角动量交换执行机构的挠性航天器,提出一种基于优化策略的姿态控制及振动抑制方法。考虑不同执行机构安装节点处采用相同的控制律,姿态控制和振动抑制问题可以转化为控制器参数的确定问题。姿态控制性能通过控制器参数的等式约束实现,振动抑制通过极小化包含各执行机构安装节点处振动状态的指标函数实现。求解优化问题获得控制律参数后,不同执行机构节点分别输出力矩以完成姿态控制及振动抑制任务。该方法同时处理了姿态控制及振动抑制问题,且可以实现振动抑制指标的最优,对分布式系统的控制设计具有较大的参考价值。仿真结果表明该方法可有效完成挠性航天器的姿态控制,并具有良好的振动抑制效果。     

充液挠性航天器姿态机动控制的多目标优化

针对充液挠性航天器姿态快速机动、快速稳定的控制要求,为减小姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发,设计了一种基于正弦型加加速度的姿态机动路径规划方法。为进一步提高姿态控制性能,提出了一种基于云多目标粒子群算法的姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法。以最小化充液挠性航天器三轴姿态达到指定指向精度的时间以及三轴姿态稳定度,构建多目标优化模型,并应用云多目标粒子群算法求取姿态控制器参数和机动路径参数的Pareto最优解。仿真结果表明:采用多目标联合优化算法得到的控制器与路径参数,能够有效减小液体晃动和挠性附件振动,显著提高充液挠性航天器大角度姿态机动的快速性和稳定性。     

挠性航天器混合H2/H∞输出反馈姿态控制（英文）

研究一类带有挠性附件的航天器的H2/H∞输出反馈姿态控制问题,所涉及的挠性航天器由刚性本体和挠性附件构成。由于挠性附件的振动和航天器本体姿态运动的耦合,再加之振动模态难以测量,对挠性航天器的姿态控制带来困难。针对该问题提出了基于H2/H∞理论的动态输出反馈控制器设计方法。动态输出反馈在模态变量不能测量的前提下也能有效控制航天器本体姿态,而H∞控制器具有很好的抗干扰能力,能有效抑制空间环境干扰力矩和模型不确定性对控制系统稳定性的影响。和纯H∞输出反馈控制算法相比,基于H2/H∞的设计同时提高系统的动态性能。数值仿真验证了所设计的控制方法对挠性航天器具有很好的姿态控制效果。     

μ方法在挠性航天器鲁棒控制设计中的应用

本文通过对带有挠性附件的一类航天器的鲁棒控制器之设计说明μ方法在不确定挠性航天器姿态控制中的应用。该方法不仅能有效地处理外部干扰以及未建模动态，而且还能直接讨论模型参数的变化，具有较大的应用潜力。但μ最优控制器倾向于激发系统未建模动态，在实际应用中必须特别注意     

带挠性附件航天器的鲁棒姿态跟踪控制

首先在时域上估计了挠性附件的振动对航天器姿态的影响力矩的界函数.该界函数的得到一方面无需知道附件参数的精确值,只需要知道参数的界限,另一方面仅利用了角速度和已知的振动控制信号,非常适用于无需模态坐标反馈的非线性姿态控制器设计.然后把它用于带挠性附件航天器的姿态跟踪控制,所得控制器具有如下优良特性:(1)对系统参数不确定性鲁棒;(2)不需要模态坐标反馈,也不需要模态观测器;(3)能抑制一般的外干扰;(4)能与多种附件振动控制器相结合.数值仿真验证了控制器的有效性.     

基于解耦和动态补偿的卫星控制系统设计

针对带大型挠性单翼太阳帆板和偏置动量的三轴稳定卫星,研究如何消除星内外干扰对姿态控制精度影响的卫星控制系统的设计问题。首先对星内外干扰进行了数值分析,进而阐明了在经典控制方案中干扰力矩对姿态控制精度的影响,指出经典控制在克服干扰力矩对姿态控制精度影响方面存在的不足之处。然后根据卫星的动力学特点,提出并论证了在设定角动量交换系统标称值条件下基于解耦和动态补偿的卫星控制系统的设计方案。最后深入分析了在该方案下太阳帆板挠性模态的稳定性。     

挠性卫星的自适应模糊滑模控制

将自适应模糊滑模控制应用于挠性卫星的姿态稳定控制中 ,给出了详尽的实现方法。用一个自适应模糊控制器逼近滑模控制中的等效控制 ,推导了规则参数调整的自适应率 ,确定不连续控制以保证闭环控制系统的稳定性 ,用另一个模糊控制器光滑不连续控制以抑制抖振。仿真结果表明 ,该方法实现了较高精度的卫星姿态控制。     

大挠性航天器的模糊模型预测控制

针对带有大型挠性附件的航天器姿态控制系统，将自适应模糊控制和模型预测控制相结合，设计了大挠性航天器的模糊模型预测姿态控制策略。基于大挠性航天器的动力学模型，采用泰勒展开设计出了非线性模型预测控制律，避免了预测控制在线优化过程中繁琐的计算，有效降低了计算复杂度。针对大挠性附件振动导致的不确定性扰动对姿态控制的影响，使用自适应模糊控制来逼近不确定扰动。基于Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性，并推导了模糊参数的自适应律。仿真结果表明所设计的控制策略对大挠性附件振动有很好的抑制作用，可以控制姿态角对期望值实现快速跟踪，具有较好的控制特性。     

挠性航天器的鲁棒多目标姿态控制器设计

航天器挠性附件的振动难以直接测量且对航天器的姿态控制精度产生不利影响。为解决这一问题,提出一种基于观测器的鲁棒多目标姿态控制系统设计方法,借助特征结构配置的参数化方法,给出了含有自由参向量的控制器以及观测器的完整参数化形式。通过对自由参向量的多目标优化选取,使控制系统具有良好的鲁棒性和干扰抑制能力,并避免了控制输出饱和现象的发生。对一个挠性航天器的设计实例表明了方法的有效性。
     

基于模态观测器的挠性航天器姿态控制

针对带有挠性附件航天器的姿态跟踪问题,提出了基于挠性模态观测器的滑模控制律。采用混合坐标法建立挠性航天器动力学模型,构造挠性模态观测器观测挠性模态位移及其变化率。选择一类滑模面,用Lyapunov方法得出基于挠性模态观测器的滑模控制律,并给出了稳定性证明。分别在变速率姿态跟踪,恒速率姿态跟踪和零速率姿态跟踪的情况下进行了仿真。仿真结果显示,与一般的滑模控制律相比,提出的控制律能够有效提高姿态控制的稳态精度,减小挠性模态振动对姿态控制的影响。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

欠驱动挠性航天器的单轴指向控制

研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制
,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法
：第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向控制。在此基础上,将
两段控制结合提出了完整的单轴指向控制算法,该算法能够有效保证闭环控制系统的大范围
渐近稳定性。理论分析和仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。     

大型挠性航天器的鲁棒模型预测姿态控制

针对大型挠性航天器的三轴姿态控制问题,考虑了控制输入约束,设计了鲁棒模型预测姿态控制器。首先,将模型预测控制应用到不考虑扰动的标称挠性航天器系统中,通过求解优化问题推导预测控制律,从而得到三轴姿态的标称轨迹。然后,为有效处理大型挠性附件振动对中心刚体姿态造成的扰动,针对带有扰动的挠性航天器实际姿态控制系统,设计由最优状态与实际系统状态的误差构成的辅助反馈控制器,使实际系统状态维持在以标称轨迹为中心的“管道”(Tube)不变集内,并驱使实际系统状态到达标称轨迹上,最终沿着标称轨迹到达平衡点。仿真结果表明,在鲁棒模型预测控制的作用下,实现了姿态角的快速精确跟踪,有效地处理了由大挠性附件振动对中心刚体姿态产生的扰动,增强了系统的鲁棒性。     

编队InSAR相对姿态控制

编队InSAR要求较高的相对姿态指向精度和地面观测重合度。根据相对姿态控制要求，提出了编队InSAR相对姿态计算的方法，从而确定从星的期望姿态。在此基础上，设计了两种非全状态反馈控制器及相应的角速度滤波器：半状态反馈控制器和角速度滤波器，输出反馈控制器和滤波器，进行相对姿态控制。数值仿真结果表明两种方法均可满足编队InSAR相对姿态控制要求。     

Impulsive control for angular momentum management of tumbling spacecraft

We discuss an angular momentum control of a tumbling spacecraft. The proposed control method is to apply an impulse by a space robot arm, to measure and control the relative position and attitude between the target spacecraft, and then to apply another impulse until the rotational motion of the target spacecraft is well damped. A discrete controller is designed using the simplified equations of rotational motion through appropriate coordinate transformation. The stationary response under contact model uncertainty is investigated and stability condition is analytically derived. Numerical simulations are given to validate the proposed approach.     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题,提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法,规划机械臂最终构型,保证组合体相对稳定后的角速度最小;基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法,抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现组合体的角动量转移,并显著降低组合体的柔性振动,具有工程实用性。     

Nonlinear attitude control of flexible spacecraft under disturbance torque

We present a control law for large-angle single-axis rotational maneuvers of a spacecraft-beamtip body (an antenna or a reflector) configuration. It is assumed that an unknown but bounded disturbance torque is acting on the spacecraft. A model reference adaptive torque control law is derived for the slewing of the space vehicle. This controller includes a dynamic system in the feedback path and requires only attitude angle and rate of the space vehicle for feedback. For damping out the elastic motion excited by the slewing maneuver, a stabilizer is designed assuming that a torquer and a force actuator are available at the tip body. The stabilizer uses only the flexible modes for the synthesis of the control law. Simulation results are presented to show that fast, large-angle rotational maneuvers can be performed using the adaptive controller and the stabilizer in spite of the presence of continuously acting unknown torque on the spacecraft.     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。     

挠性航天器高精度智能控制方案研究

从工程角度出发，研究了智能控制方案，旨在提高挠性航天器的姿态指向精度和稳定度。针对挠性模态不可测的特点，文中采用了输出反馈变结构控制来抑制挠性附件的振动，并用神经网络自适应控制来补偿系统的不确定性因素。智能控制的引入使得控制器具有很强的自学习和自适应能力，可降低不确定性因素对系统产生的影响，减小系统的稳态误差，从而达到高精度控制的目的。仿真结果证明了该方法的有效性。     

带有输入非线性的挠性航天器姿态机动变结构控制

针对挠性航天器反作用飞轮输入力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及变结构输出反馈控制器设计的方法，并保证闭环系统渐近稳定；另外，为了避免确定不确定性和外干扰界函数上限的困难，又给出了一种自适应变结构输出反馈控制器的设计方法，并基于Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的两种控制方法应用于三轴稳定挠性航天器的姿态机动控制，并进行数值仿真研究。仿真结果表明：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，使得挠性附件的振动幅值远远小于0．001，有效地抑制挠性附件的振动。