基于模型预测控制的近空间飞行器容错跟踪控制

针对近空间飞行器的执行器故障,在考虑控制输入约束情况下,本文提出了一种基于模型预测控制思想的容错控制策略.该方法主要是结合线性状态反馈控制与非线性模型预测控制的优点,构成容错控制律,然后通过自适应观测器的方法进行故障估计,并将得到的故障信息反馈到系统,能够保证闭环系统的稳定性,而且在系统发生执行器故障的情况下能够跟踪给定的指令.最后在Matlab中针对X-33模型进行仿真,验证该容错控制算法的有效性.     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

基于特征提取的容错控制及其应用

在黄金分割鲁棒自适应控制器的基础上，设计了一种自适应被动容错控制器，能在线辨识对象特征模型，在线提取系统动态性能特征和故障特征，对控制系统执行机构和测量部件的某些软故障具有被动容错能力。与传统PID控制的对比仿真充分说明了这种控制方案的优越性。     

一种半解析方法火星再入探测器一体化设计模型

提出了一种火星再入探测器的半解析法一体化模型,为未来火星探测器的初步设计提供包括弹道、气动参数、防热系统在内的设计依据。在任务初步设计阶段,由于涉及多个学科,火星大气与地球大气模型差异很大,需要考虑的因素很多,因此需要一个半解析的,能够实时进行弹道、气动参数和防热层温度分布计算的设计工具。该工具应该包括气动外形、弹道、防热为一体的设计模型,且能满足计算负担要求。基于此,提出了一种普遍适应的火星探测器外形定义方程,并对其中的一种特殊情况进行了解析公式的推导。在合理假设的前提下,给出了计算防热层内部温度分布的半解析计算公式,并以MER\|B (Mars Exploration Rover)探测器为例进行了弹道和气动受热仿真。计算结果表明,该一体化计算模型的仿真计算落点与实际落点很接近,达到了火星探测器初步设计阶段一体化的计算要求。
     

气动引力辅助的火星自由返回轨道设计方法

为更准确地描述大气飞行过程,提出一种三段式大气飞行模型,将大气飞行段分为下降段、平飞段和上升段,使用大气飞行角和航迹角描述飞行过程,并建立了相应的计算模型。对“地球-火星-地球”、“地球-火星-金星-地球”和“地球-金星-火星-地球”自由返回轨道序列的优化结果表明,三段式模型可以准确描述气动引力辅助过程,同时气动引力辅助技术可以有效提升自由返回轨道性能,如减少转移时间,降低燃料消耗等。     

一种适用于月球跳跃返回的改进解析预测校正制导律

解析落点预测-校正制导律具有计算量小的特点,适用于月球返回舱机载计算机的在线计算,针对其对远航程适应性差的问题,提出了一种改进的解析预测制导律。通过调整上升段的控制增益,减小返回舱飞离大气层时刻实际状态与标准状态的偏差,对飞出大气层的速度进行修正以补偿弹道段空气阻力引起的航程减小。二次再入段采用数值预测-校正制导,利用逐步校正的方法,解决了收敛问题,避免了复杂的基准弹道设计过程。数值仿真表明,所设计的制导律能够适用于远航程情况,在具有初始位置偏差、质量偏差、气动偏差、大气偏差的情况下,终端位置精度在5km以内,表明该制导律具有良好的鲁棒性,该制导律具有在线实施的潜力。
     

一种超静平台主动指向容错控制方法

针对超静平台主动指向控制中的作动器故障问题,提出一种超静平台主动指向容错控制方法。首先,基于超静平台的一般动力学模型,推导用于指向控制的解耦模型和标准解耦矩阵,将超静平台由高度耦合的复杂多输入多输出系统变为多个相对简单的单输入单输出系统,有利于控制器的设计和容错控制方法的引入;在此基础上,针对作动器的故障问题,提出指向控制重构策略,并建立新解耦矩阵;进一步,提出基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法;最后,进行了数值仿真分析。仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。     

再入返回器极端热载荷预测方法

为快速预测返回过程再入器的极端气动热载荷情况,文章以充气式再入器为研究对象,基于动力学运动方程及Kemp-riddell气动热工程公式,采用龙格-库塔方法开展了136组工况的返回过程数值计算,获得了充气式再入系统返回过程的轨迹弹道与驻点热流密度变化情况,研究了驻点热流密度峰值和峰值出现高度与弹道系数、球头半径及再入角度的关系,发现驻点热流密度随弹道系数、再入角度的增加而增加、与球头半径的二次方成反比;但极端热载荷出现高度随弹道系数增加而降低,与球头半径和再入角度无关。文章提出了航天器以第一宇宙速度返回再入时极端热载荷的工程经验公式,采用公式对飞船返回舱、返回式卫星的极端热载荷进行预测,所得结果和试验数据基本一致,表明该预测公式具有较高的准确性和较好的通用性。文章的预测方法适用于再入返回器的设计初期阶段,可快速预测返回器再入过程的极端气动热载荷,满足气动热估算需求,为再入器气动热防护方案的选择提供支持与参考。     

编队构形保持模型预测控制方法研究

针对多星编队构形保持问题,提出了一种基于模型预测控制的编队构形保持协同控制算法。首先,给出了线性化的、基于相对轨道根数的编队相对运动方程,基于此方程,提出了优化确定多星编队系统构形修正相对运动中心和各个卫星目标修正量的线性规划数学模型。然后,在建立离散化状态方程和测量方程的基础上,提出了满足多种约束条件的求解构形保持控制律的混合整数线性规划数学模型。于是,可通过求解上述两个数学规划模型,得到基于模型预测控制的构形保持协同控制算法。最后通过数学仿真验证了算法的有效性和优越性。     

基于预测的VBR优化带宽分配模型

研究 VBR业务的动态带宽分配问题。以往的 VBR动态带宽分配模型中多只注重对VBR业务的预测研究 ,而忽视分配机制对业务的 QOS参数影响。基于此 ,提出了一个优化的动态带宽分配模型。该模型在预测值的基础上 ,以信元丢失率最小为优化目标对系统的带宽资源进行了优化分配 ,并用随机优化算法求出最优带宽分配向量。与以往方案相比 ,最优化的带宽分配在信元丢失率上达到最优 ,有效地保证了业务 QOS参数。     

考虑动态控制分配的空天飞行器再入姿态复合控制设计

针对空天飞行器再入大气层阶段的直接力/气动力复合控制分配问题,设计了一种基于改进指标函数的动态控制分配律,兼顾了反作用控制系统燃料消耗和闭环控制系统响应速度需求。此外,针对空天飞行器面对称大攻角再入引发的横侧向气动强耦合问题,在预测控制律中引入了通道间交叉耦合反馈项,对姿控过程进行增稳。对比仿真结果表明,动态分配算法在提高了再入姿态控制精度的同时降低了反作用控制系统的燃料消耗;交叉耦合反馈项的引入,缓解了倾侧角指令突变对偏航通道稳定性的干扰影响。     

空间绳系机器人姿态容错控制方法研究

在精确姿态控制阶段,由于反作用轮的故障,空间绳系机器人会出现姿态控制失稳的问题,为此,提出了一种空间绳系机器人姿态容错控制的新方法。该容错控制方法利用时间延迟控制算法,将前一个周期的控制量引入到当前控制律中,估计并补偿由于反作用轮故障引起的当前控制量变化。在推导该容错控制方法的基础上证明了它的稳定性,从反作用轮无故障和有故障两个方面,对利用时间延迟控制算法与利用PD控制算法的控制律进行了仿真比较。仿真结果表明,利用时间延迟控制方法跟踪目标姿态精度高、鲁棒性强;将时间延迟控制方法用于调整反作用轮故障状态下空间绳系机器人姿态具有较强的稳定性。     

基于快速终端滑模的航天器自适应容错控制

针对存在不确定的执行机构部分失效故障和未知外界扰动的航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种基于自适应快速终端滑模控制的容错控制方法。在没有故障检测与诊断信息的情况下,采用快速终端滑模控制原理,利用自适应算法在线估计得到的故障信息,设计具有鲁棒性的容错控制器,使系统在执行机构故障发生时,能在有限时间内以指数收敛,实现系统有限时间渐近稳定,以及对航天器的容错控制和干扰的抑制。仿真结果表明,与基于普通滑模控制器的容错控制相比,该方法在保证系统鲁棒性和可靠性的同时,具有更快的收敛速率,实现执行机构故障时有效的航天器姿态跟踪控制。     

航天器故障诊断与容错控制技术研究综述

详细综述了航天器故障诊断与容错控制的研究进展。重点从基于模型的方法、基于数据的方法和基于知识的方法三个方面分别阐述了航天器故障诊断技术的研究进展,并且总结了航天器容错控制技术的研究现状,然后介绍了国内外的一些相关技术项目的开展情况,最后对未来可能的发展方向进行了探讨。     

执行器故障下的运载火箭非奇异终端滑模容错控制

针对存在未知外部干扰和执行器卡死故障的运载火箭,提出了一种基于非奇异终端滑模面的姿态跟踪控制算法。首先,建立了考虑干扰和执行器卡死故障的运载火箭姿态控制系统多输入多输出系统模型;然后定义了运载火箭姿态跟踪系统模型,针对定义的模型,设计了一种非奇异终端滑模面,使得系统在执行器故障情况下仍能较为精确地跟踪参考信号。基于李雅普诺夫函数证明了运载火箭姿态跟踪控制系统的稳定性和有限时间收敛特性。数值仿真检验了本文基于非奇异终端滑模运载火箭姿态跟踪控制算法的有效性。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

一种高超声速飞行器的鲁棒解耦控制方法

高超飞行器的再入非线性动力学模型具有参数不确定性和外部干扰,针对这种情况基于奇异摄动理论提出了鲁棒内环外环解耦控制方案.控制系统的外环基于自适应模型参考设计简单解析的虚拟控制律,实现二阶模型动态跟踪气流系角,抑制三通道运动耦合和干扰的影响,避免了在线实时求逆计算.强耦合的内环采用动态逆跟踪虚拟的角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰和不确定性,并基于模型预测控制策略解决辅助轨迹线性化的时变控制器设计和输入约束,提高内环的鲁棒跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况,基于反步法思想,设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律,同时,该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外,还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真,结果表明了该控制律的有效性。