航天器姿态跟踪有限时间自适应积分滑模控制

针对刚体航天器存在模型参数不确定性和外界干扰情况下的姿态跟踪控制问题,该文提出了一种有限时间自适应积分滑模控制方法.建立了用四元数表示的航天器姿态跟踪数学模型;在不考虑参数不确定性和干扰的情况下,基于非线性系统齐次性方法设计了一种有限时间控制算法,保证航天器姿态在有限时间内跟踪上期望姿态;当扰动存在时,为提高闭环系统的...     

航天器姿态跟踪的几乎干扰解耦控制

研究了有界干扰力矩作用下航天器姿态跟踪的几乎干扰解耦控制问题.采用修正罗德里格参数（MRP）作为航天器的姿态描述.利用非线性系统中的微分几何理论,通过反馈线性化方法设计跟踪控制器,使得在实现姿态跟踪的同时,实现了对系统的几乎干扰解耦控制,即在L2增益意义下实现了从干扰到跟踪误差的影响任意小,并通过Lyapunov方法证...     

空间飞行器大角度姿态机动控制能量优化

空间飞行器姿态控制系统以开关式小推力器为执行机构, 为实现该飞行器在执行Rest-to-Rest大角度姿态机动任务的过程中消耗燃料最小化,从姿态控制律设计和姿态机动指令设计两方面出发进行能量优化.首先, 给出了空间飞行器6个脉冲式姿控发动机布局, 建立了用四元数描述的空间飞行器大角度姿态机动非线性控制系统的数学模型.在此数学模型的基础上,设计了一种空间飞行器三轴大角度姿态机动非线性PD控制律,并用Lyapunov方法证明了非线性姿态控制系统的稳定性.设计了三轴姿态控制中6个脉冲式姿控发动机的分配逻辑.为了配合开关式小推力器以脉冲宽度调制方式近似输出连续型控制量并减少燃料消耗,在非线性PD控制律中引入了3个开关门限,并应用粒子群与遗传算法优化选取这些开关门限.在Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计中,提出了一种令欧拉角匀速变化的角速度和四元数指令规划方法,提高了姿态控制系统的瞬态响应品质,并相对于阶跃型指令明显减少燃料消耗.结果表明,数值仿真验证了非线性控制律的开关门限设计,以及Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计在减少燃料消耗方面的有效性.     

在轨服务航天器对失控目标的姿态同步控制

研究在轨服务航天器逼近与捕获失控目标过程中姿态同步的控制问题,设计了一种基于姿态四元数的姿态跟踪控制算法.通过建立服务航天器相对失控目标的姿态运动学与动力学,将服务航天器跟踪失控目标航天器姿态的控制问题转化为相对姿态的控制问题.考虑未知干扰和控制力矩受限的因素,并以相对姿态四元数的二阶形式描述相对姿态动力学,利用反馈线性化原理和自适应算法的思想,设计姿态同步的非线性反馈控制律.数学仿真的结果表明,设计的控制算法是有效的,具有较好的跟踪性能.     

基于Rodrigues参数的飞行器姿态鲁棒控制

利用修正的Rodrigues参数对刚体姿态和姿态误差的构形空间进行参数化，在非线性H∞控制的框架内，研究了飞行器姿态的鲁棒控制问题，设计了一个用于飞行器姿态控制的鲁棒跟踪控制器。数值仿真结果表明，本文所设计的控制器对飞行器结构参数的不确定性具有鲁棒性。     

近空间飞行器多模型非脆弱软切换跟踪控制

针对具有强烈非线性、强耦合等特性的变机翼后掠角近空间飞行器,在考虑控制器存在摄动的情况下,设计了多模型非脆弱软切换鲁棒跟踪控制方案。将系统工作空间划分为若干区域,在每一区域建立局部模型,根据跟踪性能指标利用广义系统的方法设计局部控制器,大大减少了计算量和复杂度,同时减弱了对于待定矩阵的限制,更易于求得可行解,从而降低了保守性。由于控制器在模糊了的边界处进行切换,保证了系统状态在切换过程中的平滑性。最后对近空间飞行器在变机翼后掠角过程中的姿态进行跟踪控制,仿真结果表明了该控制系统具有良好的控制性能。     

板球系统的非线性摩擦补偿控制

为提高位置控制精度,提出了基于非线性观测器的板球系统摩擦非线性补偿控制方法。在扩展的系统状态空间中构造了非线性状态观测器估计摩擦力。由输入输出精确反馈线性化和最优控制理论设计了考虑摩擦补偿的镇定位置控制器。根据变结构控制理论设计了可精确消除摩擦的跟踪位置控制器。仿真结果说明了上述摩擦非线性补偿控制方法的可行性。镇定控制实验表明非线性摩擦补偿控制明显减小了稳态位置偏差。跟踪控制实验表明摩擦补偿控制明显提高了轨迹跟踪控制精度。     

基于Lyapunov方法的非合作目标接近与视线跟踪

研究了接近和跟踪同时存在姿态翻滚和轨道机动的非合作目标轨道姿态6-DOF联合控制问题。综合视线坐标系下相对运动动力学模型和追踪航天器姿态动力学模型,建立姿轨联合动力学模型。由于系统模型存在很强的非线性,所以对系统模型先进行预处理,将其转化成利于控制器设计的形式,采用Lyapunov最小-最大方法对同时存在姿态翻滚和轨道机动的非合作目标设计了自主接近和随动跟踪控制律。通过仿真验证了模型和控制方法的有效性。     

近距离跟踪指向空间非合作目标有限时间控制

追踪航天器在对空间非合作目标进行近距离跟踪与监视时,需要接近非合作目标并从特定方位保持对目标的指向与观测.针对非合作目标存在姿态翻滚以及未知轨道机动时追踪航天器保持近距离跟踪与指向的问题,在视线坐标系和体坐标系下分别建立了相对轨道和姿态的动力学方程,并构建了对轨道与姿态同步控制的六自由度模型,利用RBF神经网络对系统不确定性及未知的目标运动参数进行自适应估计和补偿,采用反步法思想设计控制器使追踪航天器在有限时间内收敛到期望的相对轨道和姿态并维持保持状态.进一步考虑控制输入饱和、死区等非线性特性,对控制律进行改进.改进后的控制算法可以有效地提高控制精度,仿真结果验证了控制对象模型和控制算法的有效性.     

基于滑模控制的六自由度飞行器编队建模与仿真

针对高精度空间飞行器编队要求,对主从式飞行器相对平动和相对转动运动进行建模,用四元数叉乘表示主从航天器的相对姿态,构建航天器的误差动力学方程,进而得到六自由度飞行器编队的非线性动力学模型.基于所得模型,设计了六自由度飞行器编队控制的滑模控制器,使得从飞行器的平动与转动能够跟踪期望的状态轨迹,并基于Lyapunov定理证明该系统为一致渐近稳定.仿真结果表明,该控制器能够保证从飞行器六自由度运动跟踪误差的一致渐近收敛,为空间飞行器在轨服务等飞行器编队实际应用提供了理论参考.     

基于动态反馈的AUV水平面路径跟踪控制

针对离散自治水下机器人水平面的路径跟踪控制问题,利用水下机器人的位置和姿态角量测信息,提出神经网络自适应输出反馈控制器.所设计的控制器包括3部分,镇定水下机器人动态系统线性部分的动态反馈控制器;神经网络控制器,用来补偿水下机器人受到环境干扰引起的水动力系数变化的不确定非线性结构;补偿环境扰动和神经网络带来的重构误差的鲁棒控制器.基于离散非线性系统理论,对水下机器人水平面跟踪误差系统进行分析,得到系统的跟踪误差最终一致有界.所提出的控制方法具有对模型精确度要求低的优点,利用INFANTE水下机器人模型进行仿真分析验证了提出的控制算法的有效性.     

带有输入死区的航天器姿态有限时间控制

死区非线性是航天器姿态控制系统中一种普遍存在的执行机构非线性,它的存在会降低姿态控制系统的性能,甚至可能破坏系统的稳定性.为了解决带有输入死区非线性的航天器的高精度姿态控制问题,给出了一种有限时间控制方法,并且考虑航天器姿态控制模型中含有有界的不确定性且输入死区非线性仅部分信息已知.通过引入一个在指定时间内收敛到零的期望姿态变化曲线,并基于时变滑模控制理论设计鲁棒控制算法使得实际姿态和期望姿态之间的偏差始终保持足够小,从而保证实际姿态在指定的时间内收敛到原点附近.严格的理论分析表明,所设计控制律不仅可以保证闭环系统的信号有界而且可以使得实际姿态在指定的时间内收敛到并以指定的精度保持在原点附近.数值仿真结果表明,所提控制方法是有效的,该方法不仅能够保证系统状态具有很快的收敛速度、很高的控制精度,而且对于系统的不确定性具有很强的鲁棒性和抗干扰能力,因而在航天器的姿态控制中具有良好的潜在应用价值.     

封面图片说明

正封面图片来自本期论文"角速度约束卫星编队控制与虚拟演示验证",图片是视景仿真中角速度约束下跟随者航天器对领航者航天器姿态跟随卫星编队控制图.针对角速度约束下卫星编队姿态同步控制问题,提出一种附加系统动态-姿态同步控制器综合设计策略.首先,考虑角速度约束影响,建立约束下卫星编队模型;其次,建立姿态跟踪误差方程,将角速度约束转化为角速度跟踪误差约束,并设计新型有限时间附加系统动态,保证姿态变化满足约束要求;然后,基于附加系统状态,设计姿态同步控制器,     

火箭垂直返回双幂次固定时间收敛滑模控制方法

垂直起降可重复使用火箭返回飞行时受到复杂扰动和强不确定性影响,其姿态系统呈现出强非线性和高动态的特点.为克服扰动影响实现对姿态角指令的快速高精度跟踪,提出了一种基于双幂次固定时间收敛滑模面和固定时间收敛扰动观测器的快速高精度姿态跟踪控制器.对于返回飞行姿态控制系统中的有界匹配扰动,为避免观测器的调节过程影响控制系统的性能,在控制器的设计中引入了固定时间收敛扰动观测器,从而实现了对扰动的快速高精度估计;为实现姿态跟踪控制器的固定时间收敛,给出了基于双幂次修正项的一种双幂次固定时间收敛滑模面;基于观测器输出和双幂次固定时间收敛滑模面设计了快速姿态跟踪控制器,通过引入固定时间收敛扰动观测器的输出以补偿扰动影响,从而在允许的精度损失下去除不连续控制项以抑制滑模抖振. 最后通过返回飞行大气层内气动减速段的数值仿真验证了观测器和基于固定时间收敛扰动观测器的固定时间收敛滑模跟踪控制器的性能.     

面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制

为提高临近空间飞行器的机动性能,提出一种结合推力矢量的新型自适应滑模控制方法,并搭建闭环最优控制分配系统,实现气动舵面与矢量喷管最优分配,保证飞行器稳定机动飞行。首先为应对机动飞行环境中复杂不确定,设计新型自适应滑模控制器,放宽了现有自适应滑模控制不确定有界性限制,获得确保姿态角稳定跟踪的期望控制力矩。引入推力矢量技术的临近空间飞行器存在多种控制输入,控制分配是机动飞行控制的关键。其次为确保机动飞行稳定安全,从稳定性角度提升分配性能,设计闭环最优控制分配策略,将期望控制力矩精确稳定地分配到执行器,完成气动舵面和矢量喷管协调控制,实现机动飞行中姿态角对参考指令的稳定跟踪。仿真结果表明：推力矢量技术对于扩大临近空间飞行器横纵方向姿态角变化范围具有有效性,同时验证了所设计控制策略能够在复杂不确定影响下保证飞行姿态稳定。     

非线性纯反馈时滞系统的自适应模糊跟踪控制

针对一类不确定非线性纯反馈时滞系统的自适应模糊跟踪控制问题,本文采用模糊逻辑系统来逼近系统中未知的非线性函数,利用自适应方法和Backstepping方法构造出一种自适应模糊控制器,并给出了非线性纯反馈时滞系统跟踪控制问题可解的充分条件.仿真结果表明,所设计的自适应模糊控制器,保证闭环系统的所有变量有界,并确保系统输出有效跟踪给定的参考信号,跟踪误差收敛到原点的一个充分小的邻域之内,同时其他闭环信号保持有界.该控制方法可以有效地减少系统在线计算负担.     

可重复使用运载器变结构姿态控制算法设计

详细介绍了混合使用气动舵面和反作用控制系统的变结构姿态控制系统的设计方法。该控制算法用于可重复使用运载器,对于具有高空域大马赫飞行、机动明显、通路间耦合严重的非线性不确定时为系统具有良好的控制精度和抗干扰鲁棒性。同时基于可重复使用运载器空间飞行轨迹、使用执行机构特性等因素,进行数学模型和控制律的简化设计和相应处理。仿真结果初步显示了基于变结构设计的PLV姿态控制算法可以确保对指令精确、鲁棒和解耦的跟踪能力,姿态误差小于1°,姿态响应超调量小于5%。     

基于模型跟踪的广义非线性控制系统设计方法

在广义非线性控制模型基础上,将控制对象设定为线性部分和非线性部分,提出了一种模型跟踪控制方法.证明了当非线性部分满足给定范数条件、传递函数正实时,系统内部完全有界.仿真结果验证了设计法的有效性.     

高超声速飞行器滑模自适应迭代学习控制系统设计

针对高超声速飞行器再入过程中的强耦合和干扰所带来的非匹配不确定控制问题,提出一种新型自适应迭代学习控制系统的设计方法。研究结合采用先进控制方法与迭代学习控制策略。首先给出面向控制的高超声速飞行器姿态模型。然后针对一类非线性系统,提出一种结合滑模控制的新型迭代学习控制系统设计方法,并将其应用到所提出的面向控制的姿态模型。最后应用Lyapunov泛函来证明闭环系统跟踪误差的收敛性和变量的有界性。仿真展示所提方法能使飞行器快速稳定地跟踪指令,对比传统滑模控制说明本方法具有针对气动不确定项和干扰项的强鲁棒性。     

航天器自适应有限时间反步控制

针对存在转动惯量不确定以及外部干扰的航天器姿态跟踪问题,提出基于反步法的自适应有限时间控制方法。建立四元数描述的系统模型,设计有限时间命令滤波器用以逼近虚拟控制律导数,从而避免反步法设计中的复杂性爆炸和奇异值问题。采用神经网络估计未知非线性函数,设计自适应有限时间控制器,保证系统跟踪误差有限时间收敛。仿真结果验证所提方法的有效性。