多体航天器姿态机动的终端滑模复合控制方法研究

研究了带有多种运动附件的航天器姿态复合控制问题.选取典型的两刚体对象建立了完整的动力学模型,简要分析了本体与附件的耦合关系.针对标称本体动力学方程,设计了有限时间干扰观测器估计附件对本体的耦合扰动以及外部环境干扰,在终端滑模控制器中进行主动补偿,利用扩展的Lyapunov稳定性定理证明了本体控制系统的有限时间收敛性;为减小本体机动对附件指向的影响,在附件控制器中引入对本体角加速度的补偿.仿真结果表明,所设计的复合控制系统能够较好地估计并且补偿系统的总干扰,具有较高的控制精度和较快的系统响应.     

转动惯量存在不确定性的挠性航天器动态自适应滑模姿态控制

针对存在转动惯量不确定性和外部干扰的挠性航天器,首先构造了一个部分状态观测器估计挠性模态,然后设计自适应律对转动惯量不确定性和外部干扰组成的函数的上界进行估计。最后,在设计的观测器和自适应律的基础上,建立了挠性航天器的基于部分状态观测器的自适应滑模姿态稳定控制律。采用Lyapunov方法证明了在挠性航天器存在转动惯量不确定性和外部干扰时, 所设计的自适应滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定。最后, 通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性。     

基于终端滑模和神经网络的多目标姿态跟踪鲁棒控制#br#

研究了航天器编队飞行多目标姿态跟踪的鲁棒控制问题.主航天器由中心刚体和一个快速机动天线组成,星载相机跟踪某一特定目标,同时天线与从航天器保持通信.在考虑模型不确定性和外部干扰情况下,基于非奇异终端滑模技术和RBF神经网络,设计了多目标姿态跟踪鲁棒控制器.鲁棒控制器由RBF神经网络和一个自适应控制器组成.自适应控制器用于抵消神经网络的逼近误差和实现期望的控制性能.RBF神经网络用于逼近模型不确定部分与外部干扰力矩,并且根据非奇异终端滑模的有限时间收敛属性,提出了一种RBF网络的在线学习算法,提高了RBF网络的逼近效率.应用Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统稳定性.数值仿真结果表明所设计的控制器对外部干扰与模型不确定具有良好的鲁棒性.     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

使用SGCMGs航天器滑模姿态容错控制

基于滑模控制与自适应理论,对使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的刚性航天器的被动姿态容错控制问题进行了研究。首先建立了含有陀螺框架转速故障的系统数学模型。然后将框架转速直接作为控制量并应用滑模控制理论设计了容错控制器,同时控制器中还设计了自适应律对故障信息和干扰进行估计。由此,可在故障和干扰的先验信息未知的情况下,实现对航天器无故障和有故障情况下的姿态稳定控制,且具有较强的鲁棒性。最后,对2种构型单框架控制力矩陀螺群的不同故障模式进行数学仿真,验证了该控制方法的有效性和可行性。     

基于滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制

永磁同步电机(PMSM)的高性能控制需要提供转速及转子位置的精确信息。这些信息通常可以通过旋转变压器、光电编码器等机械传感器来测得。但是高性能的机械传感器价格较高,安装困难且难以适应恶劣环境。通过测量电机的电信号,根据获得的电信号和电机自身参数能够计算出转子的位置和电机转速信息。利用电机反电动势与电机转速之间的关系,设计了基于反电动势的滑模观测器来对电机转子位置及电机转速进行估算,从而实现表贴式永磁同步电机的无速度传感器控制。     

基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统的优化研究

为了优化传统基于滑模观测器(SMO)的永磁同步电机(PMSM)无传感器控制系统的性能,分析了传统控制系统中相应模块的数学模型和控制算法存在的问题,建立了优化的基于SMO的PMSM无传感器控制系统模型并进行了仿真。通过分析传统SMO的数学模型,在保证SMO满足Lyapunov稳定条件的前提下,根据电机不同工况对滑模增益进行实时优化,提高了SMO的观测性能。为了提高锁相环(PLL)输出信号的质量,在PLL输入端加上低通滤波器,并对低通滤波环节造成的位置角度偏差进行补偿。通过仿真验证上述所采用优化策略的正确性和可行性,结果表明:优化模型在保证系统动态性能的同时能够获得比传统观察系统质量更高的观测信号。     

基于滑模控制器的PMSM的矢量控制系统研究

为了提高三相PMSM调速系统的动态品质,利用滑模控制对扰动和参数不敏感,相应速度快等优点,设计了一种基于滑模控制的速度控制器。利用MATLAB/Simulink仿真软件,搭建控制系统模型并进行仿真分析。仿真验证了所提永磁同步电机速度控制器的有效性,获得很好的速度跟踪精度和抗负载扰动能力。     

基于lipschitz非线性滑模观测器的卫星故障检测

航天器模型存在非线性问题, 但其小角度在轨运行时满足lipschitz条件,可以在这种情况下进行故障检测, 提高系统的安全性. 应用滑模非线性观测器, 针对多执行器设计了多通道故障检测观测器, 通过Lyapunov函数对其收敛性进行证明. 结果表明, 观测器不仅能够实现故障检测, 还能够实现故障的隔离, 并利用反证法进行了说明. 应用线性矩阵不等式, 给出了观测器参数的求解, 进而对卫星建模及仿真, 与线性化方法进行比对, 验证了算法的有效性.      

直达滑模控制

用传统到达条件综合而成的滑模控制系统不能保证所有出发于滑动模态邻域的相轨线都能直接到达邻近的滑动模态分支,导致状态转移过程超调,这对于某些控制工程是不允许的.为使滑模控制过程单向收敛,提出了直达滑模控制方法.通过对传统到达条件表述中的不足的分析,介绍了直达函数的定义和直达条件的建立.直达条件是用直达滑模控制法综合滑模控制系统的依据.直达滑模控制系统由指令模态及开关型直达滑模控制组成.与传统到达条件不同,满足直达条件的控制,可保证所有出发于滑动模态邻域的相轨线都能直接到达邻近的滑动模态分支,沿滑动模态趋向零态,状态转移过程快速而无超调.将直达滑模控制应用于示例系统并进行仿真,仿真结果符合对直达滑模控制性能的预期.