卫星飞轮转速过零问题的一种补偿方法

本文以小卫星姿态控制系统为研究对象,当反作用飞轮转速过零时,摩擦力发生非线性变化,控制作用力矩出现不确定性,从而影响小卫星的姿态控制性能.本文在最优控制基础上加入了颤震信号对摩擦力进行补偿,通过仿真实验分析,对比最优控制与补偿控制,后者能够有效地抑制反作用飞轮转速过零时引起的姿态扰动,从而实现了高精度的卫星姿态控制.     

小卫星磁力矩器与反作用飞轮联合控制算法研究

磁力矩器和反作用飞轮是现代小卫星姿态控制的主要执行机构. 对于具有主动磁控能力的小卫星, 由于动力学与控制的耦合, 其动力学系统是一个有约束的非线性系统. 针对小卫星入轨阶段的姿态捕获控制, 提出了一种使用磁力矩器和反作用飞轮进行联合控制的算法. 仿真表明, 该算法鲁棒性好, 设计简单且易于在轨实时计算, 减少了反作用飞轮的饱和机会, 与单独使用磁力矩器控制相比, 缩短了姿态捕获时间.     

存在飞轮安装偏差与故障的卫星姿态容错控制

基于滑模控制理论提出一种刚体卫星姿态稳定控制方法,实现对反作用飞轮部分失效故障的容错控制,以及对其安装偏差的补偿控制,并从理论上证明了所设计的控制器在有限时间内能够实现对闭环姿态控制系统的几乎全局渐近稳定控制.最后将所设计的控制器应用于某型卫星姿态稳定任务,仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

基于飞轮的偏置动量卫星周期干扰补偿方法

为了提高偏置动量卫星姿态控制精度,针对三轴稳定偏置动量卫星滚动/偏航回路周期干扰力矩补偿问题,提出了一种基于反作用飞轮的滚动/偏航回路周期干扰力矩补偿方案.采用频率分离法,分析了周期干扰力矩对卫星滚动/偏航回路姿态控制精度的影响.设计了周期干扰力矩的飞轮补偿方案,该干扰力矩补偿方案由安装在卫星滚动/偏航轴上的反作用飞轮实现.仿真结果表明,所设计的飞轮补偿方案提高了滚动/偏航轴的控制精度,从而验证了飞轮补偿方案的可行性和有效性.     

飞轮安装偏差的过驱动航天器有限时间姿态控制

针对反作用飞轮安装存在偏差的过驱动航天器姿态跟踪问题, 提出一种有限时间姿态补偿控制策略. 通过设计自适应滑模控制器保证实现对不确定性转动惯量与外部干扰的鲁棒控制, 同时实现对飞轮安装偏差的补偿控制, 并应用Lyapunov 稳定性理论证明了该控制器能够在有限时间内实现姿态跟踪控制. 最后, 将该控制器应用于某型航天器的姿态跟踪控制, 仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

利用状态观测器进行三轴稳定卫星偏航姿态误差估计的方法

1.前言为利用地球人造卫星观测地面,要对卫星进行姿态控制,使卫星本体的既定基准轴经常指向地球中心,这样的卫星叫三轴稳定卫星。三轴稳定卫星大致分为有动量飞轮的偏置动量方式和没有动量飞轮的零动量方式。偏置动量方式由于利用角动量引起的滚动/偏航转换,只用地球敏感器检测的滚动误差和俯仰误差作为卫星的姿态误差可控制姿态。另一方面,零动量姿态控制方式就需要经常地检测绕三个轴的姿态误差;滚动误差,俯仰误差和偏航误差。     

空间机器人姿态稳定方法研究

研究机器人动态优化问题,空间机器人的动力学耦合特性会影响系统的稳定性.空间机器人由于机械运动基座产生扰动,影响姿态稳定.通过建立空间机器人的动力学模型,结合动力学耦合特性分析了空间机器人的零反作用空间.提出基于零反作用空间的基座姿态稳定方法,实现了机械臂与基座的动力学解耦.不采用反作用飞轮或反作用喷气装置,即可使空间机器人的基座姿态达到稳定,达到了节省星上能源,延长空间机器人使用寿命的目的.在Matlab上进行数值仿真实验,结果验证了方法的有效性和可行性.方法能够为空间机器人在轨操作提供理论依据.     

重力梯度卫星大角度姿态机动的变结构控制

针对重力梯度稳定小卫星的大角度姿态机动问题,采用四元数来描述卫星的姿态,通过选择一类滑动流形,设计了变结构控制律,得到了在大角度姿态机动中卫星的姿态角、姿态角速度以及三个反作用飞轮转速的变化规律.理论分析和数值仿真都表明了该控制律具有渐近稳定性和鲁棒性.     

微纳卫星姿态控制系统的精细抗干扰容错控制方法

本文针对一类微纳卫星姿态控制系统飞轮突变故障提出了一种具有干扰抑制和补偿能力的精细故障诊断及容错控制方法.针对反作用飞轮的突变故障,本文不仅考虑了星体转动惯量变化导致的系统参数不确定性,而且考虑了姿态控制系统中飞轮振动带来的干扰影响,设计基于干扰观测器和故障诊断观测器的复合抗干扰容错控制器,并基于线性矩阵不等式对控制器进行求解,使复合系统稳定并满足一定的鲁棒H∞性能.仿真结果表明,基于微纳卫星姿态控制系统的精细故障诊断方法在有效诊断系统时变故障的同时,可有效抵消与抑制干扰.     

欠驱动航天器双飞轮—单喷气姿态最优控制原理及方法

欠驱动航天器的姿态控制能够增强航天器的可靠性.本文针对欠驱动航天器姿态控制, 从喷气姿态阻尼的角动量等效原理出发, 推导脉宽调制公式, 得到燃料消耗最小时给定姿态、非给定姿态两种情况下的喷气最优组合方案.同时, 为了实现喷气全局最优, 提出欠驱动飞轮姿态控制策略, 实现了运动航天器机动至预期姿态.进一步分析欠驱动飞轮航天器的姿态控制原理及稳定性, 提出了共面双飞轮-单喷气的配置方案, 通过双飞轮组合稳定航天器的角速度, 使得航天器到达预期姿态机动时燃料全局最省.结合绕两个旋转轴的姿态机动路径规划方法, 通过姿态机动时序关系的实时分配可实现航天器姿态机动与稳定控制.最后, 通过航天器姿态控制仿真和对比分析, 发现共面双飞轮-单喷气的欠驱动姿态阻尼及姿轨控制方案能够在较少硬件配置下实现对航天器的姿态控制, 且消耗燃料最少.     

Robust attitude control of near space vehicles with time-varying disturbances

In this paper, the robust attitude control scheme is developed for near space vehicles (NSVs) with time-varying disturbances based on backstepping technique. To efficiently handle the time-varying disturbance and the system uncertainty, the disturbance observer is employed to estimate them. Using backstepping technique and the disturbance observer output, the robust attitude control is firstly developed for the NSV. And then, considering the actuator dynamics, another robust attitude control scheme is proposed for the NSV based on the disturbance observer. The uniformly ultimate bounded-ness of all closed-loop signals are guaranteed via Lyapunov analysis under both developed robust attitude control schemes. Finally, simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed attitude control schemes.     

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.     

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.     

FPGA在卫星AOCS测试中的应用

在卫星姿态和轨道控制系统(AOCS)测试过程中,常常需要专用测试设备提供正确的输入输出,实现模拟测试所需要的条件。传统的测试设备是用通用的IC芯片构成的,研制周期长,修改困难,通用性低。FPGA技术采用硬件设计软件化的思路,使得数字系统设计更为简洁,并且能实现很大规模的信号处理。基于卫星电信号的测试原理,以FPGA为核心,设计了一个适用于APCI总线的通用数字信号测试模块,实现对卫星姿态控制测试中数字信号的采集和模拟。结果表明,该接口方案功能正确,结构简单,能适应实时系统的需求。     

Estimation of states,faults and unknown disturbances in non-linear systems

In this paper, we extend existing theory on non-linear unknown input observer design to a wider class of non-linear systems where the systems are subject to unknown input and output disturbances and experience faults. The approach used is to decouple the faults and unknown disturbances from the rest of the system through a series of transformations on state and output equations. Once total disturbance decoupling is achieved, an appropriate observer for the disturbance free part of the non-linear system is proposed and designed. The designed observer is, subsequently, used for estimation of unknown inputs, outputs, and fault signals. Two examples are given for illustration.     

异型曲面加工机器人自适应NDO控制

针对异型曲面打磨机器人中摩擦导致的加工精度降低的问题，提出了一种改进的非线性干扰观测器对其进行观测和补偿。建立了高精度工业机械臂的动力学模型，基于该模型设计非线性干扰观测器并应用李雅普诺夫函数稳定性理论给出了系统的稳定性分析。引入典型摩擦模型，利用观测器估计不可测的内部摩擦状态，并将估计值用于PD控制器中摩擦补偿部分。经过仿真以及实验验证，对比实验结果表明该观测器可以使系统的控制精度大幅提高，降低了仿真实验的跟踪误差，实验平台的控制精度提高了30%以上，能很好地补偿双关节机械手的摩擦力，更好地跟踪关节位置。     

卫星姿态跟踪的非线性PI控制器设计

针对刚体卫星的姿态跟踪问题,提出了一种新的非线性PI控制器。它不同于传统的全状态反馈控制方案,无需姿态角速度的测量信号,而是通过引入一个一阶低通滤波器来产生伪角速度信号,进而对其进行反馈。同时,采用积分控制以减少或抑制由于常值干扰力矩引起的常值姿态误差。通过Lyapunov方法分析证明了整个闭环系统是渐近稳定的。最后,仿真结果验证了所提出的输出反馈控制律在实现姿态跟踪和干扰抑制方面的有效性。     

考虑传感器故障的导弹姿态控制系统主动容错控制研究

针对导弹姿态控制系统惯性传感器故障,提出了基于信号重构的主动容错控制方法.分别利用基于梯形算法的数值积分器和有限时间收敛微分器对姿态角信号和角速率信号进行重构,当在线诊断出姿态角或角速率传感器故障时,以重构信号代替故障信号进行反馈控制来实现系统的主动容错控制.在建立导弹姿态控制系统模型并采用次最优控制方法设计输出反馈控制器的基础上,对所设计的主动容错控制方法进行仿真,仿真结果表明该方法是有效的.     

小卫星编队飞行姿态协同控制及仿真

针对具体的对地定向三星编队成像高度计的姿态协同控制问题,基于四元素方法进行了姿态控制系统设计和数字仿真研究.首先定义了坐标系及姿态误差变量.接着设计了一种非线性姿态跟踪控制器,并运用Lyapunov稳定性理论证明了该控制律的全局稳定性.最后通过基于Matlab的数值仿真和基于STK的可视化,进一步验证了该控制律的稳定性和有效性.数值仿真结果表明利用这种方法可以保证编队中的从星时刻跟踪目标姿态.也就是能够实现合成孔径干涉测量的任务目标.     

Sampled-data non-linear H infinity estimation and control

This paper considers the non-linear H_infinity estimation problem with sampled measurements and the non-linear H_infinity control problem with sampled measurement feedback where the control signal should be of a staircase type. Sufficient conditions are found that guarantee a prescribed level of disturbance attenuation for all bounded energy disturbances. The global solutions of these problems are expressed in terms of solutions to Hamilton-Jacobi equations. A particular feasible selection of the injection gain that is based on a linearization of the estimator in the neighbourhood of the estimated trajectory is proposed. The obtained results are demonstrated by a practical example of vehicle attitude determination.