使用VSCMGs的IPACS的奇异性分析与操纵律设计

 研究使用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的奇异性分析与操纵律设计问题。提出了VSCMGs的CMG奇异与IPACS奇异两种概念。对于给定的CMG奇异方向,采用优化理论得到了在该方向上VSCMGs的转子达到角动量饱和时的转速表达式,并给出了IPACS奇异的充要条件及其证明。分析了考虑星体角速度影响时的实际IPACS的奇异性质。在此基础上为实现合理的动量管理,采用加权矩阵的方法设计了IPACS的操纵律。最后通过算例验证了所得到的IPACS奇异判据的正确性,并通过数值仿真,验证了所设计的操纵律的正确性及其良好的动量管理性能。     

利用能量/动量飞轮的偏置动量姿态控制系统

研究偏置动量姿态控制系统中的集成能量与姿态控制问题。利用一对正 反转飞轮提供偏置角动量并同时储 /放能以满足星载设备的能源需求。滚动 /偏航运动由俯仰轴磁矩控制。设计了力矩形式的飞轮的控制律 ,使之提供期望的俯仰控制力矩 ,并以给定的功率储 /放能。保持两只飞轮正 反转可以完全避免飞轮控制律中的系统奇异。提出了利用动能反馈的飞轮储能功率规划方案 ,以使系统维持能量平衡 ,避免由于能量过剩引起的飞轮饱和。飞轮的最小转动惯量受最大偏置角动量和最小能量的限制 ,结合几何方法对这种限制条件进行了分析。数值仿真结果证明了控制方案的有效性。     

动量轮卸载对环月卫星SMART-1轨道的影响和定轨策略

动量轮卸载是卫星进行姿态控制的一种常用手段。通过对欧空局（ESA）首颗环月卫星SMART-1测轨资料的分析,计算了动量轮卸载对卫星轨道的影响,特别讨论了在动量轮卸载的精确信息未知时提高卫星定轨和预报精度的策略。计算表明,2006年5月29日至6月2日期间,SMART-1多达19次的动量轮卸载过程使得其轨道位置变化达到3km。如果不考虑动量轮卸载的影响,定轨结果相比于ESA重建轨道的位置误差最大可达742m。本文利用分段常数的经验加速度模型来模制动量轮卸载产生的小推力。计算表明,即使动量轮卸载的精确信息未知,采用该方法也可显著提高定轨和预报精度,定轨位置误差最大下降到246m。计算还表明,经验加速度的合理选择（周期性、常数或线性经验加速度）决定定轨精度的改善程度。考虑到我国的首颗探月卫星“嫦娥一号”也将采用动量轮卸载的方式进行姿态控制,本文的结论对我国的探月工程有一定的借鉴意义。     

空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施

为改善内埋弹舱的流场特性以及内埋武器分离特性,采用在弹舱前缘悬细金属条的方法对弹舱流场进行流动控制,并在高速风洞中进行了试验研究。通过分析舱底静态压力试验结果以及脉动压力试验结果,研究了武器模型处于不同分离位置时流动控制对弹舱流场特性的影响;通过测量武器模型力和力矩,研究了流动控制对武器分离特性的影响。研究结果表明：武器模型处于不同分离位置时,该流动控制方法对弹舱底部静态压力分布以及总声压级分布的影响是相似的;当弹舱的流场类型为过渡／闭式穴流动时,采用该流动控制措施能有效降低舱内的静态压力梯度,并能有效改善武器的分离特性;当弹舱的流场类型为开式穴流动时,采用该流动控制措施能有效抑制舱内产生的气动噪声。     

单框架控制力矩陀螺群的奇异几何分析

使用几何方法对单框架控制力矩陀螺群（包括转子恒速的CSCMG和转子变速的VSCMG）的奇异性进行了分析。通过绘制CSCMG的奇异角动量超曲面,并标识隐奇异和显奇异在该曲面上对应的点,直观地表述了CSCMG的可操纵空间,得出星体三轴角动量可交换的具体范围。比较奇异角动量超曲面图,可以看出金字塔构型在角动量饱和包络面内部存在显奇异,而五棱锥构型的显奇异十分接近饱和包络面。文中分析了金字塔和五棱锥两种构型的CSCMG可能的退化隐奇异点,并给出了退化隐奇异点在奇异角动量超曲面上的具体位置及其高斯曲率特性。对集成的能量和姿态一体化控制系统（IPACS）可能出现的无法操纵的情况进行了补充分析,给出了使用VSCMG的IPACS不会出现操纵奇异的构型设计的充分条件。给出在某一瞬时能量下,VSCMG转子角速率范围有限制时的角动量包络图,从中得到CSCMG与VSCMG角动量体的变化和联系。     

基于综合应力工作态试验和神经网络的CMG失效边界域预测

本文设计了一种可同时模拟真空热环境和CMG与航天器角动量交换工况的试验设备,提出了模拟在轨真空环境下温度、CMG框架转速、航天器转速3种应力的工作态试验方法,给出了适用于神经网络的CMG运行状态定量表达方法,利用少量试验数据和神经网络方法对工作极限转速矩阵、失效边界、失效边界域进行预测,分析了经验样本对预测结果的影响,以及各应力对其他应力工作域的耦合影响,并给出了预测结果的可信度分析方法。研究结果表明,所提出的方法可以更真实模拟CMG在轨工作状态的同时显著节省试验经费和时间,并具有较高的预测准确性和多应力工作场景适应性,对I和Ⅱ两类训练数据集分别获得100%和98.8%的预测正确率,给出了仅凭试验数据无法得到的55℃下的转速失效边界,并且可以内化试验数据背后的工程经验。     

LH-2微小卫星综合电子系统设计及姿态控制研究

针对微小型卫星的集成化电气系统设计问题,以LH-2微小卫星为例,提出以星载计算机为核心,辅以多种功能模块及控制机构的综合电子设计方法;针对LH-2微小卫星的控制模式及控制机构的特点,采用偏差四元数实现姿态控制,并进行仿真测试。结果表明,采用该控制方式可以快速准确实现微小卫星的姿态控制。     

基于动量轮转速标定的轨道控制方法研究

某地球同步三轴卫星因故障导致推力器工作效率不稳定,使得采用原有方案进行向西轨道控制时姿态变化大,控制准确度降低.针对上述问题,通过分析卫星用于姿态控制的偏置动量轮的控制规律,利用星体角动量守恒条件,建立了偏置动量轮转速变化与轨道半长轴变化之间的相关性数学模型,提出了一种改进的基于偏置动量轮转速标定的轨道控制方法,同时结合姿态的稳定变化制定了轨道控制实施方案,并将其应用于实际卫星轨道控制中,取得了良好的控制效果.改进的控制方法提高了轨道控制的准确率,使得半长轴误差幅度由最大60％提高到0.2％左右,增加了姿态的稳定性,使得俯仰姿态变化幅度由最大0.7°减小到0.2°左右,降低了控制风险,减轻了地面控制人员的负担.     

飞船返回舱跨声速全局稳定性研究

根据国内外在飞船返咽舱这类短钝飞行器的亚、跨声速风洞试验中都发现了极限环振动形态这一问题,利用全局稳定性分析和数字仿真方法,研究了返回舱在跨声速和高亚声带飞行时的动稳定性,得到与风洞试验类似的结果,即返回舱处于极限环振动形态。因此,在返回舱再入亚、跨声这飞行段,为保证飞行安全,采用有效和可靠的姿态控制系统来控制和减缓动不稳定影响是必需的。     

无人机机动轨迹跟踪系统设计

对无人机机动飞行轨迹跟踪系统的内环姿态控制律和外环轨迹跟踪控制律两部分分别进行了设计。利用非线性动态逆方法设计了内环姿态控制律。外环轨迹跟踪控制律采用逆动力学前馈加模糊反馈的控制结构,提高系统对飞行条件及期望轨迹剧烈变化时的跟踪精度。仿真结果表明,所设计的系统能够控制无人机精确跟踪指定的机动轨迹,且相对于固定增益系统具有更好的鲁棒性。     

基于模糊LADRC的倾转四旋翼无人机纵向姿态控制

针对倾转四旋翼无人机存在控制冗余和模型具有时变性及不确定性的问题,进行了纵向姿态控制系统建模和仿真研究。运用牛顿运动定律和刚体转动定律建立无人机六自由度运动模型,并采用试验测量及数值仿真的方法获取模型参数。采用设计控制分配系数的方法解决控制冗余的问题。设计了基于线性自抗扰控制(LADRC)方法的姿态控制器并采用模糊控制对其参数进行在线整定,提高了控制系统的响应速度和鲁棒性。搭建了Simulink仿真模型,通过无人机纵向飞行控制仿真试验,验证了所设计的控制分配系数的合理性以及姿态控制器的有效性。     

航天器快速绕飞姿控脉宽调制研究

针对航天器快速绕飞姿态控制和脉宽调制,提出了脉宽调制指令算法,结合航天器转动惯量、期望状态、控制力矩等进行了姿态控制可行性分析。基于误差四元数的姿态滑模控制,结合不同的控制力矩和脉宽调制档次,采用姿态角误差分析了脉宽调制、控制力矩、姿控精度的关系。通过数值仿真,验证了脉宽调制控制指令的有效性和姿态控制应用的可行性。     

显模型跟踪控制技术在舰载无人直升机姿态控制中的应用

采用基于模型逆的显模型跟踪控制方法,借鉴ADS-33要求设计了舰载无人直升机俯仰姿态控制律,并进行了仿真验证,较好地解决了舰载无人直升机姿态控制的难题。     

大气层内导弹姿态控制方法研究

本文以大气层内导弹为研究对象,对导弹的姿态控制方法进行研究.根据大气层内导弹运动方程组及空气动力方程等得出导弹的姿态控制系统数学模型.由于导弹的姿态控制数学模型是强耦合、非线性的,因而在控制器设计之前,采用小扰动理论进行线性化处理,得到俯仰、偏航、滚转三个通道的传递函数.针对特征点,采用PD控制方法分别设计三通道的控制律,在此基础上,进一步设计了基于增益调度的PD控制规律.仿真结果表明,提出的姿态控制方法可以实现大气层内导弹的姿态控制,满足指标要求.     

直升机附件舱温度场的数值模拟

为考查某型直升机附件舱的热控制能力,采用有限元软件分析了其在强制冷却和自然冷却情况下的温度场分布.应用非结构化网格和有限体积法进行计算区域和控制方程的离散,采用标准k-ε模型封闭湍流控制方程.针对3种冷却系统设计方案,分析了不同冷却气流进口尺寸、相对位置以及不同附件散热量对附件舱温度分布的影响,计算了自然冷却情况下附件舱密闭时的温度场.计算和试验结果均表明,所采用的冷却方案可以满足附件舱冷却的需要.      

地球同步轨道薄膜太阳帆的姿态轨道控制方法

薄膜太阳帆（FSS）是集推进、发电和姿轨控功能于一体化的超大型挠性太阳帆式航天器,通过调整薄膜反射率产生可变推力和力矩,实现其姿态和轨道运动控制。结合薄膜太阳帆在地球同步轨道运行时的受力特性进行了轨道漂移分析。通过建立薄膜太阳帆动力学模型及受力模型,提出了调整帆面角度轨道修正方法以及基于薄膜光压力矩角动量卸载的长期在轨对日定向面内双轴动量轮稳定控制方法。通过系统仿真验证表明所提的轨道修正和对日定向控制方法是合理有效的,可使薄膜太阳帆长期在定点位置维持对日定向。     

飞机γ角姿态控制系统方案设计及仿真

在简要分析飞机侧向控制系统运动模态基础上,对飞机γ角姿态控制系统结构方案进行设计并进行仿真验证。仿真结果显示,所设计的飞机γ角姿态控制系统结构方案及其控制规律具有良好抗干扰能力,是合理有效的,从而提出对飞行状态变化剧烈的飞机,应采用控制规律调参措施。     

基于ESO的再入飞行器姿态控制

针对飞行器再入姿态控制系统受到较大干扰力矩时,采用目前工程上常用的 “前馈＋PID”控制方法难以获得理想控制精度的问题,提出了采用自抗扰控制技术进行再入姿态控制的方法。首先利用扩张状态观测器对前馈项没有完全补偿的剩余飞行器角加速度进行估计并加以补偿,使得作用在飞行器上的力矩接近于平衡状态,并采用PD控制器进行误差反馈控制,给出了飞行器再入姿态自抗扰控制律,并在频率域分析的基础上给出了控制参数设计原则。仿真结果表明采用本方法能够有效地克服干扰力矩,从而明显地提高再入飞行器姿态动态跟踪精度。     

低位预旋进气转静系盘腔流动特性研究

采用实验和数值模拟的方法对低位预旋进气转静系盘腔的流动特性进行研究,考察了流量与动盘转速变化对腔室内流动的影响,结果表明腔内径向静压差随流量增大而增大,随转速升高而增大;引入腔内有效角动量的概念,用角动量系数表征其与盘腔入口角动量之比,通过分析来流角动量与盘面转矩的相对大小,推导得到影响角动量系数的两个主要无量纲参数为修正的湍流流动参数与预旋来流雷诺数;对于给定结构形式的预旋系统,当改变转速时,角动量系数随修正湍流流动参数增大而减小,当修正的湍流流动参数大于0.0646时,角动量系数变化缓慢,腔内有效角动量约为入口角动量的70%～90%;当改变来流速度时,角动量系数随修正湍流流动参数增大呈现先减小后增大的变化趋势。