基于迭代学习观测器的航天器姿态主动容错控制

针对含有外部扰动和执行器故障的一类航天器姿态控制系统,本文提出基于迭代学习观测器的主动容错控制方案.首先,建立了含有外部扰动和执行器故障的航天器姿态控制系统的运动学和动力学模型.其次,为了提高观测器的故障估计精度,在传统迭代学习观测器设计基础上引入上一时刻状态估计误差信息,文章提出一种改进型学习估计算法.进一步,基于滑模控制和指定时间稳定理论,利用学习观测器的故障估计信息设计指定时间主动容错控制器.与现有的航天器主动容错控制方案相比,本文所提出的算法的优势在于可以使故障系统的姿态能在指定时间跟踪上指令信号.基于Lyapunov方法,本文从理论上证明了改进型学习观测器和姿态容错控制系统的稳定性.最后,通过数值仿真,说明了所提容错控制方案的有效性和可行性.     

姿态变化一致有界的姿态稳定控制器设计

针对航天器姿态稳定控制问题, 设计一种迭代学习姿态控制器. 将连续非周期运动的姿态跟踪过程分解为队列重复运动, 采用前一周期的姿态跟踪误差修正后一周期的控制输入, 分别对未知参数和干扰构建有界迭代学习律, 给出航天器姿态稳定控制器, 并从理论上分析了闭环系统的渐近稳定性和姿态跟踪误差的一致有界性. 通过在轨捕获非合作目标过程中航天器姿态跟踪控制问题的数值仿真, 验证了迭代学习控制器的鲁棒性和强抗干扰性.

     

基于学习观测器的航天器指定时间跟踪控制

针对一类含有外部扰动和执行器故障的刚体航天器姿态控制系统,提出一种基于自适应学习观测器的指定时间容错控制器的设计方案.首先,系统性地给出一种改进型自适应学习观测器设计方案,基于自适应学习观测器框架,设计航天器姿态系统的学习观测器实现对系统的综合扰动值估计;然后,利用综合扰动的估计信息和滑模控制理论设计指定时间容错跟踪控制器,使得系统的姿态角能够在指定时间跟踪指令信号,系统的收敛时间可通过容错控制器的参数预先设置,且与系统的初始状态值无关;接着,基于Lyapunov稳定性理论验证含有故障的姿态控制系统能够在指定时间内稳定;最后,通过数值仿真,与已有的观测器和有限时间控制方案进行对比,表明所提出方案的有效性和可行性.     

航天器姿态自抗扰控制

为抑制航天器自身结构参数变化和内外扰动对姿态控制精度和姿态稳定度的影响, 设计了航天器姿态自抗扰控制器. 自抗扰控制器(ADRC)由跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)和姿态反馈控制器(AFC)3部分组成.跟踪微分器负责安排姿态指令过渡过程, 并提取其微分信号. 扩张状态观测器(ESO)充分利用姿态敏感器与速率陀螺的量测信息, 可对航天器姿态及内部和外部干扰进行观测. 姿态反馈控制器则在补偿ESO估计的干扰的同时,实现航天器的姿态控制. 与已有研究相比, 扩张状态观测器采用复合量测信息对状态估计进行校正, 性能较好. 而自抗扰控制器只采用一个环路即可实现姿态控制及干扰补偿, 结构简单. 对某航天器姿态控制系统的仿真结果表明,以上自抗扰控制器是可行的.     

基于时变增益ESO的航天器无源姿态跟踪控制

针对修正罗德里格参数描述的航天器姿态运动模型,利用扩张状态观测器(ESO)研究无角速度测量下的无源姿态跟踪控制问题.首先,为了削弱常值增益ESO中的峰化现象,设计一种时变增益ESO对角速度和系统的总干扰进行估计;进一步考虑航天器姿态运动的无源特性,结合互连和阻尼分配无源控制(IDA-PBC)理论及backstepping思想设计跟踪控制律;最后,从理论上对闭环系统的稳定性进行严格证明.仿真结果验证了所提出控制方法的有效性.     

基于super-twisting算法的多航天器姿态有限时间分布式协同控制

针对受外界干扰和执行器故障影响的多航天器姿态协同控制问题,本文设计了一种基于干扰观测器的分布式协同supper-twisting滑模控制器.首先,将各航天器的外界干扰和执行器故障看作一个集总干扰,设计自适应滑模干扰观测器对其进行估计.其次,将supper-twisting算法和积分滑模面相结合,设计一种基于多航天器姿态...     

基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法

为了解决传统航天器姿态测量方法中存在的误差率高的问题,提出基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法。首先对使用的精密星敏感器进行设计,并将在不影响航天器运行的前提下安装在合适的位置上。通过建立运动坐标系、坐标参数转换和设置姿态参数三个步骤得出航天器运动模型,在该模型下分析出航天器姿态的基本运动规律、利用精密星敏感器识别并选取航天器空间下的任意三个星点,最后综合定位的星点和航天器姿态的运动规律,从不同的角度上确定航天器姿态测量结果,为了提高航天器姿态测量结果的精度进行标定处理。通过模拟实验分析得出结论：与传统测量方法相比,基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法的平均误差率降低了6.0%。     

充液挠性航天器时变滑模控制及振动抑制

针对存在外界未知干扰、参数不确定问题的刚-液-柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究.将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉-伯努利梁,建立了多体耦合航天器动力学方程.首先,设计了积分滑模干扰观测器,使其能够在有限的时间范围内对控制系统的集总扰动实现准确估计;其次,以此干扰观测器为基础,设计了一种时变滑模控制方法,该控制运用双曲正切函数;最后,结合光滑整形技术,设计出零振动指令光滑器,从而抑制液体晃动和挠性附件振动.数值仿真结果表明：本文所设计的控制方案具有可行性和有效性,多模态充液挠性航天器在姿态机动过程中所引起的残余振动可以得到有效抑制.     

Nonsingular terminal sliding mode based finite-time control for spacecraft attitude tracking

This paper studies finite-time attitude tracking control problem of a rigid spacecraft system with external disturbances and inertia uncertainties. Firstly, a new finite-time attitude tracking control law is designed using nonsingular terminal sliding mode concepts. In the absence and presence of external disturbances and inertia uncertainties, this controller can drive the attitude and angular velocity tracking errors to reach zero in finite time. Secondly, a finite-time disturbance observer is introduced to estimate the disturbance, and a composite controller is developed which consists of a feedback control based on nonsingular terminal sliding mode method and compensation term based on finite-time disturbance observer. Finite-time convergence of attitude tracking errors and the stability of the closed-loop system is ensured by the Lyapunov approach. Numerical simulations on attitude control of spacecraft are also given to demonstrate the performance of the proposed controllers.     

控制力矩陀螺框架伺服系统期望补偿自适应鲁棒控制

本文针对控制力矩陀螺框架伺服系统中存在的参数不确定性、摩擦非线性及外部干扰问题,提出了一种考虑LuGre摩擦的自适应鲁棒控制方法.针对陀螺框架伺服系统未知惯量和阻尼系数、LuGre摩擦参数不确定性及未知外部干扰上界,设计参数更新律对其进行估计.在此基础上,为提高系统对不确定参数及未知干扰的鲁棒性,设计带有期望补偿的自适应鲁棒控制器,可实现对LuGre摩擦非线性的精确补偿,同时减小测量信号噪声及外部干扰对系统的不利影响.应用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的稳定性.对挠性航天器姿态机动控制的仿真结果,验证了所提方法的有效性.     

航天器姿态机动及稳定的自抗扰控制

针对航天器动力学参数不确定性以及系统存在外部持续干扰的问题, 提出了一种自抗扰姿态控制器的设计方法. 在为期望姿态安排过渡过程的基础上, 设计了扩张状态观测器, 对参数不确定性和外部干扰进行估计, 并实时补偿. 为抑制跟踪误差, 设计了非线性状态误差反馈律. 仿真结果表明, 该控制器不仅能很好地估计并补偿系统受到的持续干扰, 而且对航天器动力学参数的不确定性具有较强的鲁棒性, 满足航天器姿态快速机动和高稳定度的控制要求, 性能指标明显优于PD控制.     

SGCMGs驱动的挠性航天器有限时间自适应鲁棒控制

针对挠性航天器系统中同时存在单框架控制力矩陀螺群(Single gimbaled control moment gyroscopes, SGCMGs) 摩擦非线性、电磁干扰力矩、惯量摄动以及外部干扰等问题, 提出了一种有限时间自适应鲁棒控制(Finite-time adaptive robust control, FTARC) 方法. 针对系统中存在未知参数的情况, 分别设计自适应更新律, 使得控制器的设计不依赖参数信息, 同时减小外部干扰对系统的不利影响. 应用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统姿态角误差和姿态角速度误差可在有限时间内收敛到原点附近的邻域内. 仿真结果表明, 所提控制律可实现挠性航天器姿态快速机动, 并获得甚高指向精度.     

航天器执行机构部分失效故障的鲁棒容错控制

针对航天器在轨运行时受到外部干扰以及存在执行机构部分失效故障的问题,提出一种基于白适应滑模控制的鲁棒容错控制方法．该方法利用自适应算法估计执行机构故障的最小值,并通过设计滑模变结构控制器来实现对故障的容错控制以及对干扰的抑制控制,无需精确获得执行机构故障值,从而使得设计的控制器对于故障具有一定的鲁棒性．仿真结果表明了该...     

基于红外地平仪的航天器姿态确定技术

卫星的发展趋向于微小型化,研究小型化、廉价、可靠和中等精度的自主导航系统是非常有必要的.本文提出应用红外地平仪的对地定向航天器姿态确定算法.根据卫星姿态动力学模型建立了基于欧拉角的姿态确定滤波模型.利用地平仪测得的姿态信息,通过卡尔曼滤波器可以确定航天器姿态.进一步提出了姿态确定滤波算法.通过仿真实验,分析比较了模型噪声和测量噪声对定姿精度的影响.仿真算例结果表明,红外地平仪定姿方案可以满足中等姿态精度要求,在对地定向航天器自主导航中具有良好的应用前景.     

Fixed‐time attitude tracking control for spacecraft based on adding power integrator technique

In this article, the fixed‐time attitude tracking problem for rigid spacecraft is investigated based on the adding‐a‐power‐integrator control technique. First, a fixed‐time attitude tracking controller is designed to guarantee fixed‐time convergence of tracking errors. Then, by considering the presence of random disturbance and actuator faults, an adaptive fault‐tolerant attitude tracking controller is designed to guarantee tracking errors converge to a residual set of zero in a fixed time. The complete bounds on settling time are derived independently of initial conditions. The simulation results illustrate the highly precise and robust attitude control performance obtained by using the proposed controllers.     

挠性航天器的非线性PID和PI姿态控制器设计

针对存在模型不确性和常值干扰的挠性航天器, 提出一种不依赖于模型参数的非线性PID姿态控制器. 该控制器在小姿态偏差的情况下近似经典的线性PID控制器. 另外, 考虑到航天器上陀螺失效情况, 设计了一种仅需姿态测量信息的非线性PI控制器. 这两种控制器在局部均对常值干扰有抑制作用, 并能使无干扰作用的姿态控制系统半全局渐近稳定. 闭环系统的稳定性证明采用了奇异扰动理论, 以解决积分项的存在带来的稳定性分析问题. 文章最后用数学仿真验证了控制器的性能.     

Distributed attitude synchronization control for multiple flexible spacecraft without modal variable measurement

This paper solves the attitude synchronization and tracking problem for a group of flexible spacecraft without flexible‐mode variable measurement. The spacecraft formation is studied in a leader‐following synchronization scheme with a dynamic virtual leader. With the application of adaptive sliding‐mode control technique, a distributed modified Rodriguez parameters‐based dynamic controller is proposed for flexible spacecraft without requiring modal variable measurement. It is proved that the attitude synchronization and tracking can be achieved asymptotically under the control strategy through the Lyapunov's stability analysis. Furthermore, a distributed robust continuous control algorithm is designed to guarantee the ultimate boundedness of both the attitude tracking error and the modal variable observation error when bounded external disturbances exist. Some numerical simulation examples for multiple flexible spacecraft formation are given to demonstrate the effectiveness of the proposed method.     

输入饱和的充液航天器抗干扰有限时间滑模控制

研究三轴稳定充液航天器姿态控制过程中存在外部未知干扰、参数不确定和输入饱和的问题,提出一种抗干扰有限时间滑模控制的姿态机动控制方法.将部分充液贮箱内液体燃料晃动等效为球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合动力学方程.首先,设计有限时间积分滑模干扰观测器,保证控制系统中集总干扰可以在有限时间内被估计;然后,基于...     

大型空间飞行器的高阶滑模姿态控制律设计

针对大型空间飞行器的大角度姿态控制问题,考虑航天器惯量矩阵中的不确定性和外部扰动力矩,应用高阶滑模控制方法设计了姿态跟踪控制律.采用的二阶滑模控制方法改善了系统针对不确定性及外部扰动的鲁棒性,并减弱了振颤现象.针对所设计的控制器进行了仿真验证,并与一阶滑模控制进行了对比,仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

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。