带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响,自适应控制能够合理地估计参数,使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数3组,按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型进行变换,采用Lyapunov方法设计出姿态控制器、变速控制力矩陀螺群操纵律及参数自适应更新律,操纵律中引入加权矩阵以缓解陀螺奇异问题。理论分析和数值仿真表明闭环姿态控制系统全局一致最终有界稳定,参数自适应更新能有效减小角速度跟踪误差,使姿态四元数误差收敛更快。参数估计虽然不能准确收敛到其真值上,但均在可接受的范围内。     

基于增益调度的变速控制力矩陀螺操纵律设计

针对以往变速控制力矩陀螺(VSCMGs)加权操纵律存在增益调度与卫星姿态机动信息脱节的不足,设计一种VSCMGs改进增益调度操纵律.不同于以往VSCMGs加权操纵律仅通过奇异度进行增益调度,改进型操纵律采用奇异度结合误差四元数进行增益调度设计,能够根据卫星姿态机动信息进行增益调度,同时该操纵律通过添加零运动,实现规划CMGs框架角和转子转速收敛在标称值附近,避免转子转速饱和.仿真结果表明改进增益调度操纵律能够实现CMGs模式和RWs模式二者之间平滑切换,有利于实现大力矩输出和精细力矩输出.     

磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承(LFMB)原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。     

变速控制力矩陀螺模式调度型操纵律设计

变速控制力矩陀螺(VSCMG)是一种飞轮转速可变的单框架控制力矩陀螺,可工作在控制力矩陀螺(CMG)模式、飞轮(RW)模式以及VSCMG模式.考虑VSCMG的工作特点,设计一种工作模式自主调度的操纵律.当系统远离奇异时,仅以CMG模式工作,产生大的输出力矩.当系统接近奇异时,以VSCMG模式工作,采用RW协助CMG回避奇异.当航天器处于姿态稳定模式需要精细控制力矩时,仅以RW模式工作.该操纵律由模式调度策略、CMG操纵律、RW操纵律3部分组成,把一个3×2N矩阵的求伪逆问题转化为两个3×N矩阵的求伪逆问题,物理意义明显,奇异回避易于实现.对某4-VSCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.     

一种基于串联解耦的陀螺飞轮摆角控制方法

陀螺飞轮通过挠性支撑的动量轮转子加减速及侧向摆动实现三轴控制力矩输出,飞轮转子两维侧摆伺服系统是实现三轴力矩输出功能的关键.高速转子两维侧摆运动存在强耦合,采用常规的PID控制器无法实现两通道独立输出控制力矩.给出了一种解耦控制方法,通过串联解耦矩阵实现两维摆角解耦控制,并通过实时计算解耦矩阵系数解决解耦矩阵随飞轮转子转速时变的问题.数值仿真结果验证了这种解耦控制方法的有效性.     

考虑框架伺服特性时SGCMG系统操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中,通常假定框架伺服系统具有理想的伺服跟踪性能.然而,框架伺服系统有限的带宽和实际存在的各种扰动力矩都会使其跟踪性能下降.为抑制SGCMG框架伺服特性对操纵性能的影响,设计了一种新型操纵律.该操纵律综合考虑了SGCMG系统运动学和动力学特性,可以根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令,直接计算出每个SGCMG框架驱动系统所需的控制力矩.由于操纵律没有算法奇异,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下,可使操纵误差指数收敛至零.同时,操纵律形式简单,易于实现.应用在航天器上的某4-SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.      

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩陀螺角动量管理方法

本文提出一种新的变速控制力矩陀螺(VSCMGs)的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

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.     

基于奇异值分解的单框架变速控制力矩

摘要： 本文提出一种新的变速控制力矩陀螺（VSCMGs）的角动量管理方法.将VSCMGs的控制力矩(CMGs)模式和飞轮模式分开求解同步输出,对CMGs模式力矩输出进行奇异值分解,只有CMGs模式接近奇异的时候,在奇异方向上的指令力矩才会分配一部分给RWs模式,从而在保证VSCMGs输出精度的情况下尽量充分的利用VSCMGs的执行能力.同时角动量管理算法中还引入零运动来实现转子轮速平衡以及框架构型避奇异,并且考虑了框架角速度死区非线性以及忽略项的补偿问题.仿真结果表明,所设计的操纵律在航天器大角度快速姿态机动时,可以实现高精度的大力矩输出.     

基于力矩输出能力最优的SGCMG操纵律设计

为使SGCMG系统在有效回避奇异的同时能够较精确地输出期望力矩, 设计了一种基于力矩输出能力最优原理的SGCMG联合操纵律. 根据期望力矩矢量及SGCMG力矩输出的几何关系, 提出了新的系统奇异状态指标, 给出使力矩输出能力最优的框架角速度; 引入优化指标, 使得框架转速误差和输出力矩误差的混合二次型最小, 保证在力矩输出能力达到最优的同时也使得输出力矩误差最小. 采用奇异值分解理论证明了联合操纵律在奇异面处不存在框架锁定现象, 能够有效地逃离奇异, 同时分析了所设计操纵律的力矩输出误差. 以金字塔构型SGCMG系统为例, 对所设计的联合操纵律分别进行了恒定力矩仿真和卫星大角度机动仿真. 仿真结果表明, 联合操纵律能够顺利回避角动量奇异面, 不存在奇异鲁棒操纵律存在的框架锁定现象, 且输出力矩误差较非对角奇异鲁棒操纵律小, 能够顺利完成航天器大角度机动任务.      

对失效卫星特征点的自适应位姿跟踪控制

为满足对失效卫星上某个特征点位置悬停的同时使追踪星上敏感器指向该特征点,展开了对失效卫星特征点与追踪星间相对动力学建模与控制的研究。在追踪星本体坐标系下建立了六自由度相对位姿动力学模型,并结合失效卫星上特征点的运动规律,给出追踪星的期望跟踪位置和期望跟踪姿态。考虑到追踪星质量、转动惯量、系统所受扰动力、扰动力矩及失效卫星转动惯量的不确定性,设计了复合自适应位姿跟踪控制律,并通过Lyapunov法证明了闭环系统稳定性。对输出受限情况,采取设计控制参数调节过程及输出限幅措施。在仿真条件下,系统在自适应控制律下能够以位置误差约1cm、姿态误差约0.01°完成位姿跟踪任务;增大不确定参数偏差后,位置跟踪误差增至约7cm,姿态误差增至约0.1°;对控制参数进行调节后,可在不影响跟踪精度的条件下在指定范围内限制输出幅值,将幅值限制在指定范围内,并减小控制所需冲量的9%和冲量矩的30%。     

Inverse free steering law for small satellite attitude control and power tracking with VSCMGs

Recent developments in integrated power and attitude control systems (IPACSs) for small satellite, has opened a new dimension to more complex and demanding space missions. This paper presents a new inverse free steering approach for integrated power and attitude control systems using variable-speed single gimbal control moment gyroscope. The proposed inverse free steering law computes the VSCMG steering commands (gimbal rates and wheel accelerations) such that error signal (difference in command and output) in feedback loop is driven to zero. H_∞ norm optimization approach is employed to synthesize the static matrix elements of steering law for a static state of VSCMG. Later these matrix elements are suitably made dynamic in order for the adaptation. In order to improve the performance of proposed steering law while passing through a singular state of CMG cluster (no torque output), the matrix element of steering law is suitably modified. Therefore, this steering law is capable of escaping internal singularities and using the full momentum capacity of CMG cluster. Finally, two numerical examples for a satellite in a low earth orbit are simulated to test the proposed steering law.     

姿态机动中SGCMG的一种改进奇异鲁棒操纵律设计

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)在卫星姿态控制中以其具有大力矩输出能力而受到重视并已成功应用于在轨卫星,其应用难点是构形奇异问题,特别是在快速连续机动的过程中,CMG框架角必须迅速脱离奇异状态.使用描述CMG输出力矩和期望控制力矩夹角的奇异度量方法,以便在仿真中观察判别CMG构形的奇异程度.着重改进CMG的奇异鲁棒操纵律,应用高斯函数的方法确定鲁棒系数.仿真实例表明,与传统的梯度型零运动相比,该方法可以在卫星的连续快速机动中使CMG系统更为迅速地摆脱奇异,更为快速地完成机动并减小姿态抖动.     

灵敏小卫星能量/姿态一体化控制研究

研究应用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs, Variable Speed Control Moment Gyros)作为主执行机构,完成灵敏小卫星多目标快速姿态机动时的能量/姿态一体化控制问题.在考虑执行机构饱和、机动任务要求和敏感器测量与跟踪能力受限等情况下,设计了非线性的姿态/能量一体化控制器,对由于频繁的姿态机动引起的姿态四元数的漂移进行了整定.设计了VSCMGs的操纵律.按是否接近框架构型奇异,合理分配了操纵任务,并设计了相应的操纵方法.对采用金字塔构型的VSCMGs进行了较为严格的仿真,结果表明卫星在机动中达到了快速和稳定的要求,同时能够满足能量控制要求和VSCMGs转子转速的平衡.     

基于控制力矩陀螺的水下运载器动力学与仿真

为弥补水下运载器(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)中传统舵面控制机构的低速控制的不足,改善其操纵性能,引入单框架控制力矩陀螺(SGCMG,Single Gimbal Control Moment Gyro)作为控制机构进行姿态稳定与控制.把AUV简化为刚体,加入SGCMG,考虑水下环境的特点,建立基于SGCMG的AUV动力学模型,并仿真分析AUV的动力学、姿态运动、SGCMG的框架运动以及环境之间的相互作用.仿真结果说明:基于SGCMG控制的AUV的姿态机动快速、准确,低速性能理想,为操纵律设计及姿态控制算法研究提供基础.     

力矩输出能力最优化混合执行机构操纵律设计

当航天器执行高动态敏捷机动或者姿态动态跟踪控制等任务时，常使用控制力矩陀螺（control moment gyroscope，简称CMG）和飞轮（reaction wheel，简称RW）构成的混合执行机构来提供大力矩。提出了基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律，从几何角度出发，给出了力矩输出能力最优的CMG框架角速度和RW角加速度，通过引入参数，并讨论参数的设置的最优，使得框架转速误差和输出力矩误差的混合二次型达到最小，保证了混合执行机构在输出力矩误差最小的情况下，力矩输出能力最优。以金字塔构型的CMG集群和正交的RW集群构成的混合执行机构为例，对基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律进行合理化分析，证明了引入参数的作用，并且证明了混合执行机构不存在CMG奇异情况。仿真结果表明，基于力矩输出能力最优化的混合执行机构操纵律解决了CMG奇异的问题并使得RW不陷入饱和，输出力矩误差较小，输出力矩能力强，能够应用于航天器大角度机动任务。     

Guaranteed performance based adaptive attitude tracking of spacecraft with control constraints

The guaranteed performance control problem of spacecraft attitude tracking with control constraint, disturbance and time-varying inertia parameters is investigated. A new saturation function is designed to satisfy different magnitude constraints by introducing a piecewise smooth asymmetric Gauss error function. Based on the mean-value theorem, the constrained problem is transformed into an unconstrained control design subject to an unknown bounded coefficient matrix. To satisfy the constraints by performance functions, a tracking error constrained control is developed based on a hyperbolic arc-tangent asymmetric barrier Lyapunov function (BLF). In the backstepping framework, an adaptive robust control law is proposed by employing a smooth robust term simultaneously counteracting the parametric and non-parametric uncertainties, where the unknown coefficient matrix resulting from the control constraint is compensated by a Nussbaum function matrix. Rigorous stability analysis indicates that the proposed control law realizes the asymptotically tracking of spacecraft attitude and that the tracking error remains in a prescribed set which implies the achievement of the guaranteed transient performance. Numerical simulations validate the proposed theoretical results.     

空间飞行器姿态控制设计和鲁棒性分析

基于奇异摄动思想,将飞行器姿态控制系统分为慢变化的姿态角回路和快变化的角速度回路分别设计。每个回路的设计均采用精确线性化方法。对于内回路即角速度回路,考虑到飞行器转动惯量的参数摄动,应用小增益原理分析了系统的鲁棒稳定性。