交会对接模拟系统姿态跟踪有限时间抗干扰控制

针对交会对接模拟系统的姿态同步问题,在存在扰动和系统不确定性的情况下,利用改进的快速非奇异终端滑模面和改进的自适应律设计两个有限时间抗干扰控制器.改进的自适应律保证了两个控制器的连续性和对干扰的鲁棒性,且第2个控制器能解决边界层理论存在的边界层内有限时间稳定性丢失的问题.李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,提出的两个控制器能保证系统的有限时间稳定性,系统能快速收敛到平衡点.     

非合作交会对接的姿态和轨道耦合控制

航天器与非合作目标进行交会对接时,要求控制器能保证二者不发生碰撞.然而,针对航天器非合作交会对接中的避碰问题,还没有成熟的控制策略.本文以服务航天器体坐标系为参考坐标系建立航天器相对姿态轨道耦合运动模型,利用滑模控制设计了一种姿态轨道耦合控制器实现交会对接.通过利用人工势函数理论和基于蔓叶线的虚拟障碍物模型,控制器可以严格地保证服务航天器运行在安全区域内部,避免与目标航天器碰撞.通过李雅普诺夫理论可以证明系统在控制器的作用下是渐近稳定的.数值仿真进一步说明了所提出的控制器的有效性.     

交会对接最后逼近段姿轨耦合控制

针对交会对接最后逼近段的制导律和姿态控制律的设计问题,首先对逼近段轨道与姿态的耦合问题进行了分析,并利用高阶滑模控制设计了最后逼近段的姿轨控制系统;然后设计了基于Hill方程的直线型制导律;最后对所采用的直线型变结构制导律和最后逼近段相对姿态控制律进行了仿真.仿真结果表明所设计的控制系统满足对接要求.     

考虑推力器安装偏差的航天器姿态机动有限时间控制

针对航天器快速姿态机动控制问题,考虑存在参数不确定性、外部干扰、推力器安装偏差以及控制输入饱和受限的多约束条件下,提出了一类自适应终端滑模有限时间控制方法,显式地引入推力器输出的饱和幅值,确保闭环系统在有限时间内快速收敛到滑模面的邻域内;同时,通过引入参数自适应学习律,使得控制器的设计不依赖于参数不确定性、外部干扰以及推力器安装偏差信息;此外,基于Lyapunov稳定性定理对所提出的控制器进行了理论分析.并通过给定某型航天器参数进行了数值仿真,结果表明在考虑多约束情况下,系统具有较快的收敛速度,且具有很好的动态性能,从而验证了所设计方案的有效性、可行性.     

多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制

基于一致性算法, 在有向通讯拓扑下, 研究存在状态约束的多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制问题. 在仅有部分跟随航天器可以获取领航航天器状态, 并且跟随航天器之间存在不完全信息交互的情形下, 设计了分布式快速终端滑模面, 提出了不依赖于模型的分布式有限时间姿态协同跟踪控制律. 根据有限时间Lyapunov 稳定性定理, 证明了系统的状态在有限时间内收敛于领航航天器状态的小邻域内. 最后通过仿真算例验证了所提出算法的有效性.

     

有限时间快速收敛滑模变结构控制

讨论了一类非线性系统的滑模变结构控制有限时间收敛问题.提出了一种新的收敛滑模超曲面及相应控制方案.研究结果表明,系统状态变量能以较快的收敛速度在有限时间内进入各级滑模超曲面最终到达平衡点,并具有良好的动态性能.最后仿真结果验证了该方案的有效性.     

基于积分滑模的航天器有限时间姿态容错控制

针对存在执行机构故障和外部干扰的刚体航天器姿态稳定系统,本文提出了基于积分滑模的容错控制策略,实现了姿态有限时间稳定.首先,利用齐次系统相关理论,设计了一类饱和有界的基础控制律,保证了不存在执行机构故障和干扰情况下的姿态有限时间稳定.在此基础上,利用积分滑模和自适应技术设计了一种有限时间姿态鲁棒容错控制方案,对执行机构故障和干扰进行有效的补偿;该方案能够快速地实现姿态高精度稳定,并抑制系统抖振现象.最后,将本文提出的姿态容错控制方案进行数值仿真与对比,验证了方案的有效性与优越性.     

网联车辆队列有限时间终端滑模控制

本文研究在模型参数不确定及未知干扰的情况下的车队控制问题,该方法可保证车队系统在有限时间内稳定.针对前车–跟随(PF)、双向(BD)的信息拓扑结构,引入一种新的二次间距策略,保证车队系统的交通流稳定性.然后,提出两种基于非线性终端滑模控制和有限时间理论的分布式协同控制算法,分别保证了系统的队列稳定性和强队列稳定性,同时设计自适应律来处理系统中不确定参数和外源性扰动的影响,通过构造Lyapunov函数分析系统的有限时间稳定性与队列稳定性.最后通过数值仿真结果,证明了所提出的控制算法的有效性.结果表明,本文所提的方法能保证队列稳定性、交通流稳定性、并保证闭环系统中的所有信号都是有限时间稳定的.     

小型四旋翼无人机建模与有限时间控制

本文首先介绍了一种小型四旋翼无人机的设计过程,从机架设计、动力匹配、机载控制器、传感器、无线通信等多个方面进行了较为详尽的阐述.采用牛顿―欧拉法对四旋翼无人机进行动力学分析,完成了六自由度数学模型的推导.进一步对系统的模型参数进行了测量和计算,并给出了结果.在此基础上,为了满足无人机快速跟踪性能的要求,本文基于快速终端滑模的思想,进行了闭环控制器的设计,并给出了基于Lyapunov函数的稳定性证明.控制器采用分环控制的结构形式,内环为姿态控制,外环为位置控制.最后结合设计的四旋翼无人机,给出的仿真结果验证了控制算法的有效性.     

基于快速终端滑模面的两旋翼飞行器有限时间姿态控制

针对带有模型不确定和外部干扰的两旋翼飞行器,提出一种基于快速终端滑模面的有限时间自适应姿态控制方法,保证两旋翼飞行器对期望姿态角度的有限时间跟踪。构造快速终端滑模面,并设计分段连续函数避免滑模变量求导产生的奇异值问题。在此基础上,设计有限时间姿态控制器,并设计系统不确定上界的自适应更新律,抵消模型不确定性和外部干扰的影响。经李雅普诺夫方法证明滑模变量、姿态角误差、角速度误差等闭环信号最终一致有界,且有限时间收敛至平衡点邻域,收敛时间与系统状态变量初始值有关。最后,采用了矩形波和 曲线作为设定信号,设计相应的跟踪实验,并在两旋翼飞行器平台上验证所提控制方法的有效性,且分析双曲正切函数对系统控制输入影响,经实验测试其可减少系统颤振现象。     

Distributed finite-time attitude containment control for multiple rigid bodies

Distributed finite-time attitude containment control for multiple rigid bodies is addressed in this paper. When there exist multiple stationary leaders, we propose a model-independent control law to guarantee that the attitudes of the followers converge to the stationary convex hull formed by those of the leaders in finite time by using both the one-hop and two-hop neighbors’ information. We also discuss the special case of a single stationary leader and propose a control law using only the one-hop neighbors’ information to guarantee cooperative attitude regulation in finite time. When there exist multiple dynamic leaders, a distributed sliding-mode estimator and a non-singular sliding surface were given to guarantee that the attitudes and angular velocities of the followers converge, respectively, to the dynamic convex hull formed by those of the leaders in finite time. We also explicitly show the finite settling time.     

Decentralised finite-time attitude synchronisation and tracking control for rigid spacecraft

The problem of finite-time attitude synchronisation and tracking for a group of rigid spacecraft nonlinear dynamics is investigated in this paper. First of all, in the presence of environmental disturbance, a novel decentralised control law is proposed to ensure that the spacecraft attitude error dynamics can converge to the sliding surface in finite time; then the final practical finite-time stability of the attitude error dynamics can be guaranteed in small regions. Furthermore, a modified finite-time control law is proposed to address the control chattering. The control law can guarantee a group of spacecraft to attain desired time-varying attitude and angular velocity while maintaining attitude synchronisation with other spacecraft in the formation. Simulation examples are provided to illustrate the feasibility of the control algorithm presented in this paper.     

航天器交会对接的模型预测与反演制导控制

面向空间交会对接和停靠的任务需求,将航天器相对制导控制系统视为离散时间控制系统.利用系统状态转移模型外推预测相对运动状态偏差,在每个控制周期中推力恒定的假设下,根据轨控作用对系统状态的影响规律,采用广义逆方法反演得到交会对接制导控制序列.对时间约束下的基于空间相对运动状态转移预测与反演的相对制导控制律进行设计,讨论该方法在实际应用中的一些特点.预测与反演制导控制中的控制输出直接表示为轨控加速度,更符合工程实际情况.近圆轨道的交会对接仿真结果表明,所提出的方法能够实现精度更高、更为柔顺平滑的交会对接,在轨控速度增量和推力器输出上也具有更好的工程适用性.     

Adaptive attitude tracking control for rigid spacecraft with finite-time convergence

In this paper, the finite-time attitude tracking control problem for rigid spacecraft with external disturbances and inertia uncertainties is addressed. First, a novel fast nonsingular terminal sliding mode surface (FNTSMS) without any constraint is designed, which not only avoids the singularity problem, but also contains the advantages of the nonsingular terminal sliding mode (NTSM) and the conventional sliding-mode together. Second, the proposed FNTSM control laws (FNTSMCLs) by employing FNTSMS associated with adaptation provide finite-time convergence, robustness, faster, higher control precision. The proposed FNTSMCLs in light of novel adaptive control architecture are continuous. Thus, they are chattering-free. Finally, simulation results are presented to illustrate effectiveness of the control strategies. In addition, digital simulations of satellite Hubble Space Telescope (HST) are presented to verify the practical feasibility of the reorientation/ slew maneuvers mission.     

机械系统的快速有限时间跟踪控制及其在航天器交会中的应用

针对一类具有匹配干扰的二阶机械系统,本文研究了快速有限时间跟踪控制问题.结合有限时间反步法和非奇异快速终端滑模,本文提出了一种新的快速有限时间控制律,并给出了控制器参数所需满足的充分条件以保证系统的快速有限时间稳定性.进一步地,在一定情形下,所设计的快速有限时间控制律能够退化为经典的反步法、有限时间控制律和非奇异快速终端滑模控制律.最终,将所设计的控制律应用于航天器交会系统,数值仿真结果验证了所提方法的有效性.