有向图中模块化航天器系统相对轨道的自适应分布式一致性

基于多智能体系统一致性理论,对模块化航天器相对轨道的分布式一致性问题进行了研究.各模块之间的信息交互拓扑结构为更具一般性的有向图.当存在模块质量不确定性的情形下,设计了仅依赖模块自身及其邻近模块信息且无需模块间相对速度信息的自适应控制算法.针对模型中存在外部干扰的情形,通过引入带有时变自适应参数的变结构控制项,实现了对未知上界干扰的补偿,并且证明了闭环系统是渐近稳定的.此外,本文所设计的算法具有分布式的特点,不会因为模块数量的增多而增加所提算法的复杂度.最后对6个模块组成的模块化航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的控制律是有效可行的.     

未知时变惯量航天器自适应姿态跟踪容错控制

针对存在未知时变惯量不确定性、执行机构衰退故障和外部干扰力矩的非刚体航天器系统,研究了航天器自适应姿态跟踪容错控制问题,结合非线性鲁棒控制方法、自适应方法、容错控制理论和参数估计方法,提出了一种鲁棒自适应姿态跟踪容错控制器。所设计的控制器克服了执行器故障、惯量不确定性以及外界干扰对系统稳定性的影响,保证了航天器姿态及角速度能够跟踪上时变的期望状态,实现了跟踪误差系统最终一致有界稳定。最后通过数字仿真验证了所提方法的有效性,并且与已有方法进行了对比,说明了所提方法的优越性。     

多星系统相对轨道的自适应协同控制

基于一致性理论,在无向拓扑结构上对多星系统相对轨道的协同控制问题进行了研究.本文考虑近地卫星相对轨道的非线性方程,首先设计控制律使得多星系统形成目标队形,并给出了速度阻尼和通信拓扑(相对速度间的拓扑关系)连通性之间的关系;其次,针对卫星质量具有不确定性的情形,设计了新的辅助变量,提出了自适应的协同控制律,这里要求传感(相对位置间的拓扑关系)和通信具有相同的拓扑结构.最后对4颗卫星的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的协同控制律是有效可行的.     

基于未知控制增益的非线性系统自适应迭代反馈控制

针对一类单输入单输出不确定非线性重复跟踪系统, 提出一种基于完全未知控制增益的自适应迭代反馈控制. 与普通迭代学习控制需要学习增益稳定性前提条件不同, 所提自适应迭代反馈控制律通过不断修改Nuss baum形式的反馈增益达到收敛. 证明当迭代次数i→δ时, 重复跟踪误差可一致收敛到任意小界δ. 仿真显示了所提控制方法的有效性.     

航天器近距离相对轨道的滑模控制

基于滑模控制原理,研究了近距离追踪航天器与目标航天器交会对接时,相对运动轨道的控制问题.首先,建立非线性航天器相对运动模型;其次,利用滑模控制原理和分数阶导数的相关性质,设计了整数阶PD控制器和分数阶PD~α控制器;最后,分别运用整数阶和分数阶控制器对未扰和受扰系统实施控制.数值仿真结果表明,整数阶与分数阶控制器均能实现对未扰和受扰系统的控制,验证了方法的有效性.同时发现,在时效性上,分数阶控制器明显优于整数阶控制器;在能效性上,达到相同控制目标时,分数阶控制器的能量消耗大于整数阶控制器.     

根据相对位置测量信息自主确定两个航天器的轨道

已设计并分析了一种根据一个航天器与另一个航天器的相对位置失量测量信息自主确定两个航天器轨道的批处理滤波器。该系统对那些无法依赖GPS星座导航信号或地面站确定轨道的系统提供了一种高精度自主确定轨道的手段。该滤波器要利用惯性基准相对位置矢量的时间序列以及两个航天器的轨道动力学模型。它可以估算两个航天器的6个轨道状态矢量以及每个航天器的阻力系。该系统的可观性已利用这种原理演示过,此外,还针对多种情况估计了滤波器最佳状态可达到的位置精度。在特定配置下该滤波器器的位置精度可达到1m(rms)的水平。     

具有未知输入干扰的补偿控制

针对系统存在干扰波形已知但干扰幅值未知或幅值无界的一类外界干扰,提出了一种实现干扰补偿的控制策略,并给出了具体的设计过程。通过对原系统构造一个新的系统输出并为其设计状态观测器,进而实现对状态和干扰的同时估计。此外,并将干扰的估计信息引入到控制律当中,从而实现系统对外界干扰的补偿控制,保证系统状态有界。仿真结果验证了这一控制方法的有效性。     

与轨道校正相协调的航天器重新定向的优化控制

本文研究航天器运动控制的姿态定向模式与轨道校正模式的优化协调问题,既研究了解决该问题的一般方法,又具体提出了航天器的旋转及轨道运动的协调控制问题,文中给出了空间站适用的与轨道校正相协调进行的航天器姿态重新定向控制的具体算法,表明了航天器姿态定向与轨道高度保持协调控制有高效率,列举了两种发动机安装模式的数学仿真实例,给出了效率指数的评估值以及旋转次数确定时算出的校正速度值。     

多航天器相对轨道与姿态耦合分布式自适应协同控制

基于一致性理论,在有向通讯拓扑结构下对多航天器系统相对轨道及姿态的耦合协同控制问题进行了研究.本文考虑近地航天器相对轨道的非线性方程以及用罗德里格参数描述的航天器姿态运动方程,建立了考虑控制输入耦合的六自由度航天器运动模型.在仅有部分跟随航天器可获取参考状态(记为领航航天器)的情形下,针对航天器存在未建模动态以及外部环境干扰等问题,提出了一种基于切比雪夫神经网络(Chebyshev neural networks,CNN)的自适应增益控制律,使得各跟随航天器在轨道交会的同时姿态保持一致.因为每个航天器上的控制算法仅依赖其自身及相邻航天器的信息,因此控制算法是分布式的.同时考虑到航天器之间的相对速度及相对角速度难以测量,提出了无需相对速度及角速度信息的分布式自适应协同控制律使得各航天器保持一定的队形且具有期望的相对指向.最后对6颗航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的分布式自适应协同控制律是有效可行的.     

控制方向未知的全状态约束非线性系统的鲁棒自适应跟踪控制

针对一类控制方向未知的含有时变不确定参数和未知时变有界扰动的全状态约束非线性系统,本文提出了一种基于障碍Lyapunov函数的反步自适应控制方法.障碍Lyapunov函数保证了系统状态在运行过程中始终保持在约束区间内;Nussbaum型函数的引入解决了系统控制方向未知的问题;光滑投影算法确保了不确定时变参数的有界性.障碍Lyapunov函数、Nussbaum型函数及光滑投影算法与反步自适应方法的有效结合首次解决了控制方向未知的全状态约束非线性系统的跟踪控制问题.所设计的自适应鲁棒控制器能在满足状态约束的前提下确保闭环系统的所有信号有界.通过恰当地选取设计参数,系统的跟踪误差将收敛于0的任意小的邻域内.仿真结果表明了控制方案的可行性.     

欠驱动航天器相对运动的姿轨耦合控制

针对欠驱动的非对称航天器设计六自由度相对运动的姿轨耦合控制器.首先,给出用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型;然后,基于矩阵广义逆和空控制向量提出广义的滑模控制器,以实现相对姿态欠驱动控制的渐近稳定;最后,考虑姿轨耦合特性,利用高斯伪谱法和非线性规划得到相对轨道运动能量最省的轨迹,进而利用滑模变结构控制实现对该轨迹的跟踪.仿真结果表明,所提出的方法是有效和可行的,而且较其他方法消耗的能量更少.     

A simple saturated control framework for spacecraft with bounded disturbances

A simple control framework is proposed for the saturated attitude control of spacecraft subject to bounded disturbances. The framework is composed of three parts, that is, the quaternion part, the saturated angular velocity part, and the bounded anti‐disturbance part. The anti‐disturbance part can be different depending on the forms of disturbances. Based on a useful lemma, it can be proven that the saturation restriction on the angular velocity part can be removed in finite time, allowing us to analyze the closed‐loop stability by means of the Lyapunov theory. Two different saturated controllers are presented to exemplify the applications of the control framework. Finally, simulations are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed controllers. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Markov 系统矩阵未知情况下的控制器设计

针对Markov 系统矩阵参数未知的实际情况, 提出一种基于状态反馈控制与自适应控制相结合的控制方法. 基于线性矩阵不等式技术给出相应控制器参数的求解条件. 与现有大多数自适应控制方法相比, 所提方法不仅使估计误差几乎处处有界, 而且原系统的系统状态几乎处处渐近稳定, 具有较好的收敛特性. 在所得结果的基础上, 进一步讨论了转移速率部分未知时的相关控制问题. 数值算例验证了所提出的设计方法的有效性.

     

航天器平移及姿态机动自适应终端滑模控制

研究了用于航天器平移及姿态机动的自适应终端滑模控制方法.通过在广义准坐标下建立拉格朗日方程得到了刚体航天器平移及姿态耦合运动的动力学方程.能对存在模型不确定性和环境扰动下的航天器实现平移和姿态机动.该自适应过程包括对不确定性和干扰的估计、有效抑制传统滑模控制的抖振现象.利用李雅普诺夫稳定性理论证明了控制器的可达性和稳定性.通过航天器的位置以及姿态跟踪的数值仿真,验证了所设计控制器的有效性和准确性.     

输入饱和受限下的刚体飞行器姿态系统的有限时间镇定

研究存在输入饱和受限下的飞行器姿态控制问题, 提出一种有限时间姿态镇定方案. 针对基于修改的Rodriguez 参数模型的飞行器姿态控制系统, 基于齐次性理论和饱和控制器设计方法, 并充分利用系统的模型结构特征, 设计一类饱和的有限时间姿态控制器, 使得姿态可以在有限时间内被镇定到平衡点. 仿真结果验证了所设计姿态控制器的有效性.

     

航天器姿态跟踪有限时间饱和控制

针对卫星姿态跟踪系统, 在无扰动和有扰动的情况下, 利用双曲正切函数和辅助系统设计两个有限时间饱和控制器. 双曲正切函数可以严格地保证卫星姿态跟踪系统的控制输入是有界的. 通过李雅普诺夫理论可以证明, 系统在两个控制器的作用下既是渐近稳定的又是有限时间稳定的, 系统可以快速收敛到平衡点. 数值仿真进一步表明了所提出的有限时间控制器的有效性.

     

基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制

针对带有海浪干扰和参数不确定的SWATH船运动控制问题, 提出基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制. 首先对SWATH船运动进行建模、参数求解和海浪干扰仿真; 然后根据运动模型设计非线性预测控制律, 对SWATH 船升沉和纵摇进行控制, 同时利用干扰观测器对海浪干扰进行观测, 并从理论上证明了所设计的控制器可以保证SWATH 船运动的稳定性. 仿真结果表明, 所设计的控制器提高了SWATH船运动控制效果, 且能对海浪干扰进行抑制.