敏捷小卫星姿态机动切换算法研究

随着空间技术的发展,要求小卫星具备更多的功能,对小卫星的敏捷性也相应提出了越来越高的要求。因此研制高精度、高稳定度的快速机动小卫星是当前一个重要的研究方向之一。纵观国外卫星的发展,大型卫星控制系统通常采用的执行机构是单框架控制力矩陀螺(SGCMG)。单框架控制力矩陀螺 （SGCMG）系统从性能上优于传统的飞轮系统,是敏捷小卫星首选的执行机构,但存在奇异问题,尤其是小卫星上应用,奇异问题更加突出。因此单框架控制力矩陀螺系统理论研究工作主要集中在如何避免奇异的研究上。针对控制力矩陀螺在小卫星应用开展研究,为控制力矩陀螺工程应用提供依据。利用刚体小卫星作为研究对象,提出了切换控制算法对小卫星机动进行控制,并对控制力矩陀螺的力矩进行合理调节,避免饱和奇异。利用添加零运动的伪逆操纵律对SGCMGs进行操控。仿真结果表明,小卫星俯仰轴14s内机动45°,平均速度达到3.2°/s。证明这种切换算法满足小卫星敏捷性需要。     

敏捷卫星姿态机动的非线性模型预测控制

针对以金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构的敏捷小卫星开展了先进机动控制算法的研究。在考虑控制力矩陀螺力矩约束及增量约束情况下,设计了基于非线性模型预测控制(NMPC)方法的卫星姿态快速机动控制律及操纵律。通过多种仿真分析了控制器设计参数变化对卫星姿态机动的影响,并与终端滑模控制方法进行了比较。实验结果表明,增大跟踪性能加权矩阵或延长预测时域均可以提高卫星姿态机动速度,缩短卫星姿态机动时间。设计的控制方法能够使卫星姿态在18s内实现40°的大角度快速机动,姿态指向精度和稳定度分别为0.01°和0.04(°)/s,与终端滑模控制方法相比,机动速度及稳态性均得到提高。本文方法为敏捷小卫星的在轨应用方式提供了理论支撑。     

敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪控制

研究了基于双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的敏捷小卫星对地凝视成像过程中的姿态跟踪控制.首先,根据敏捷小卫星的特点和凝视成像任务需求设计执行机构配置方案.然后,根据轨道信息计算地面凝视目标的相对姿态和角速度;为避免控制力矩陀螺(CMG)奇异性的影响,同时设计了适当的控制律和操纵律.最后,通过在“试验三号卫星”的姿态轨道控制系统仿真平台上增加凝视成像任务需求并调整执行机构配置,建立敏捷小卫星姿态控制系统,对文中设计的方案和控制方法进行了数学仿真验证.仿真结果表明,该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星对地凝视姿态跟踪,同时给出了DGCMG能够输出的最小框架角速率指标决定了姿态跟踪精度的结论.     

Stewart机构姿态奇异及非奇异姿态空间的研究

推导出了6／6-SPS型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。研究结果表明,机构处于固定位苴时的姿态奇异轨迹是一个关于机构动平台的姿态参数的十三次多项式。还研究了机构动平台的几何外形、动平台和定平台的外接圆的半径比、动平台的位置对机构的非奇异姿态空间的影响,因此为该并联机构的优化设计提供了重要的理论依据。     

6/6型Stewart机构姿态奇异及非奇异姿态工作空间分析

推导出了6/6型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。利用Stewart机构的位置反解并综合考虑所有的结构约束条件,首次提出一种计算6/6型Stewart机构的非奇异姿态工作空间的离散算法,并通过计算机仿真给出6/6型Stewart机构的非奇异姿态工作空间的三维可视化描述。6/6型Stewart机构的非奇异姿态工作空间能保证机构在整个姿态工作空间内不发生任何的运动干涉和奇异位形现象,因此为该机构的设计和使用提供了重要的理论依据。     

Stewart机构姿态奇异及姿态工作空间的研究

推导出6/6-SPS型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。利用位置反解方程并综合考虑所有的结构约束条件,提出了一种计算6/6-SPS型Stewart机构的姿态工作空间的离散算法,基于此算法提出了计算该并联机构的实际姿态工作空间的离散算法。通过计算机仿真给出了6/6-SPS型Stewart机构的姿态工作空间和实际姿态工作空间的三维可视化描述。     

6/6-Stewart机构姿态奇异及姿态工作空间分析

推导出6/6SPS型Stewart机构处于固定位置时机构的姿态奇异轨迹的解析表达式。利用位置反解方程并综合考虑所有的结构约束条件,提出一种计算6/6SPS型Stewart机构的姿态工作空间的离散算法,并通过计算机仿真给出了6/6SPS型Stewart机构的姿态工作空间的三维可视化描述。     

基于四元数的Stewart机构姿态奇异与姿态空间研究

基于单位四元数描述的刚体姿态，避免了欧拉角等描述刚体姿态的奇异性问题，推导出：Stewart机构处于给定位置时的姿态奇异解析表达式，并提出了该机构处于给定位置时的姿态工作空间算法，通过计算机仿真给出该机构处于一给定位置时姿态奇异轨迹和姿态工作空间的三维可视化描述。研究结果为该机构的实际应用提供了重要的理论依据。     

6-UPS并联机器人奇异姿态空间分析

对并联机器人的工作空间和奇异位形进行分析。采用分支杆许用驱动力作为并联机构奇异空间边界的判断依据,提出临界奇异和奇异空间的概念。在给出一种姿态空间描述方法的基础上,提出了一种姿态工作空间和奇异姿态空间的求解算法。通过计算机仿真,得到了6-UPS并联机器人的姿态工作空间和奇异姿态空间的可视化图形描述。     

敏捷成像卫星“逐级择优”在轨任务实时规划

为实现对航班失联、自然灾害等突发事件的快速响应与有效观测,针对面向热点区域内多个目标的敏捷成像卫星在轨任务实时规划问题,设计了一种基于目标等级的逐级择优在轨任务实时规划算法,用以快速形成最优成像序列。首先,将热点区域内的多个地面目标按重要程度划分为多个等级,在分析目标位置与卫星性能之间约束条件的基础上,将任务规划问题转化为以成像收益为目标的优化问题。然后,针对该优化问题,在同等级目标中按"先到先得"的方法进行筛选,在当前级最优成像序列的基础上,进行下一级目标的筛选与插入,逐级实现成像收益的最大化。最后,对18个地面目标进行为期500s的规划仿真。结果表明,算法能够在1s内给出对应最大收益的对地成像序列。同遗传算法相比,所提算法解算更快,结果更为稳定,满足工程应用的快速性与高收益要求。     

基于多Agent的敏捷制造单元控制系统

针对敏捷制造的需求,本文提出了一种基于多Agent制造单元控制系统的总体结构,并对各Agent的功能与单元控制系统的实现过程进行了详细描述,简单介绍了Agent之间的通信机制.     

微纳卫星姿控软件实时测试系统

为了在硬件有限的条件下测试微纳卫星姿态控制软件的实时控制性能,建立了微纳卫星姿态控制软件实时测试系统,并使用该系统对微纳卫星姿态控制软件进行了测试实验.根据卫星姿态动力学与运动学、轨道环境信息与姿态控制算法数学模型,在PC机上设计开发了微纳卫星模拟飞行平台.使用控制器局域网络(CAN)和串口建立了连接星载计算机与PC机微纳卫星模拟飞行平台的高效通讯链路,并对姿态控制软件主程序进行必要的修改.最后,基于该实时测试系统完成了星载计算机上姿态控制软件的实时控制性能测试实验.实验结果表明:姿态控制软件在星箭分离后18446 s完成初始控制阶段并进入偏置对地三轴稳定模式,实现了微纳卫星的稳态控制目标.偏置对地三轴稳定模式中卫星最低单轴姿态精度与角速度稳定度分别优于±1.86°和±0.048(°)/s,满足该模式控制精度与收敛时间的要求.     

基于LQR的倒立摆最优控制系统研究

基于LQR对单级倒立摆进行了最优控制系统设计，并针对LQR最优控制中加权矩阵Q和R难以确定的问题，进行了倒立摆实验研究与分析，找出了倒立摆系统的动态响应与Q和R阵之间遵循的基本规律。实验结果显示了该结论的正确性和实用性，也为在利用该方法进行其它控制系统的设计中Q和R的选取提供了参考。     

直流电机稳定性的最优控制控制

基于空间状态建立了电枢控制直流电机动力学模型,介绍了二次最优控制器的设计过程,选择直流电机的输出角为控制对象,在Matlab/Simulink环境中对该算法的有效性进行了验证,结果表明二次最优控制器能实现对直流电机的控制稳定控制。     

Solution of nonlinear optimal control problems using a semi-exhaustive search

The solution of nonlinear optimal control problems is a challenging problem. The recommended practice is to use different methods and then to implement the best solution found. To support this objective, the performance of a semi-exhaustive search method that uses a different approach is presented in this paper. The performance is compared against an Iterative Dynamic Programming (IDP) algorithm on five example problems. The semi-exhaustive search provided a smooth convergence to the optimal solution and required a significantly reduced computational time as compared with the IDP algorithm.     

可拆分ATO系统的最优、渐进最优和次优库存控制策略

求解面向订单装配(ATO)系统最优库存控制策略是库存控制领域内的重要问题,因为结构的复杂性,目前只在一些很特殊的情形下有明确的结论.针对一类范围广泛的ATO系统,求解其在不同条件下的最优和渐进最优库存控制策略,并将思路推广到具有一般物料清单结构的ATO系统中.以在ATO系统库存控制研究中比较常用的W型和M型系统为例进行...     

Information fusion based optimal control for large civil aircraft system

Wind disturbance has a great influence on landing security of Large Civil Aircraft. Through simulation research and engineering experience, it can be found that PID control is not good enough to solve the problem of restraining the wind disturbance. This paper focuses on anti-wind attitude control for Large Civil Aircraft in landing phase. In order to improve the riding comfort and the flight security, an information fusion based optimal control strategy is presented to restrain the wind in landing phase for maintaining attitudes and airspeed. Data of Boeing707 is used to establish a nonlinear mode with total variables of Large Civil Aircraft, and then two linear models are obtained which are divided into longitudinal and lateral equations. Based on engineering experience, the longitudinal channel adopts PID control and C^⁎ inner control to keep longitudinal attitude constant, and applies autothrottle system for keeping airspeed constant, while an information fusion based optimal regulator in the lateral control channel is designed to achieve lateral attitude holding. According to information fusion estimation, by fusing hard constraint information of system dynamic equations and the soft constraint information of performance index function, optimal estimation of the control sequence is derived. Based on this, an information fusion state regulator is deduced for discrete time linear system with disturbance. The simulation results of nonlinear model of aircraft indicate that the information fusion optimal control is better than traditional PID control, LQR control and LQR control with integral action, in anti-wind disturbance performance in the landing phase.