基于动态滑模控制的挠性航天器姿态控制

本文采用滑动模态控制方法对挠性航天器设计了姿态镇定控制律.首先,建立了挠性航天器的数学模型.其中,挠性航天器的运动学方程采用姿态四元数描述.然后,通过引入动态切换函数,设计挠性航天器的动态滑模姿态控制律.该控制律能对滑模姿态控制律中由符号函数项引起的抖振进行抑制.采用Lyapunov方法证明了所设计的动态滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定.最后,通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性.     

微纳卫星姿态机动的变论域模糊PID控制

为了简化计算,满足实时处理的要求,建立了微纳卫星的姿态角动力学模型,并应用欧拉角参数描述运动学模型。针对微纳卫星系统的时变、环境外力矩干扰等因素,同时考虑到系统参数不确定性问题,设计了变论域模糊PID控制律的姿态控制器。不考虑解耦运算,分析了控制器的动态变化参数对姿态稳定控制性能的影响。基于MATLAB/SIMULINK对该系统进行了仿真验证。仿真结果表明,在卫星姿态控制方面,该控制方法具有稳定性好、响应快速、系统超调量小的特点,能够使微纳卫星完成对目标姿态的机动控制,实现对系统姿态的有效控制。     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

基于自组织小脑神经网络的挠性卫星姿态控制

研究卫星稳定性优化控制,卫星姿态控制系统是一个耦合的不确定非线性系统,在轨运行的卫星不可避免地受到模型参数不确定性和各种干扰力矩的影响,存在使挠性卫星大角度姿态机动的控制问题进一步复杂化.为了完成姿态控制任务,需要所设计的控制律具有较高的鲁棒性.采用滑模变结构控制对挠性卫星进行姿态机动控制,用神经网络对不确定性进行补偿,改变了传统的小脑神经网络补偿时实时性差的缺点,提出用自组织小脑神经网络对不确定性进行补偿,根据输入自动增加和减少节点数,并可以更新权值.对于模型的不确定性可以实时地补偿,提高了泛化能力.通过数值仿真,验证了所设计控制方法的有效性和鲁棒性,对优化卫星姿态稳定性控制提供依据.     

基于动态控制分配的卫星姿态控制系统容错控制北大核心CSCD

针对卫星姿态控制系统执行机构故障情况下的姿态跟踪问题,研究了一种基于动态控制分配的容错控制方法。首先,考虑由卫星转动惯量不确定性与外界干扰组成复合干扰,设计了基于干扰观测器的反步姿态跟踪控制器,利用干扰观测器对复合干扰进行估计,并且采用李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性;其次,针对发生乘性执行机构故障的卫星姿态控制系统,设计了基于动态控制分配的容错控制方法,该方法无需对控制律进行调整,而是利用故障信息调整目标函数,通过动态控制分配方法实现容错控制。仿真结果表明,该方法能够在执行机构发生故障情况下有效完成姿态跟踪。     

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.     

欠驱动刚体航天器姿态机动滑模控制研究

针对欠驱动刚体航天器的姿态机动控制问题,提出一种滑模变结构姿态控制器的设计方法.首先给出3轴稳定的欠驱动航天器姿态动力学和运动学模型,分析其模型特点;然后,设计了欠驱动刚体航天器的渐近稳定滑模控制律,并证明了其李雅普诺夫意义下的全局渐近稳定性.最后的仿真结果表明,该方法能够有效实现欠驱动航天器的姿态控制,且系统具有全局稳定性和鲁棒性.     

卫星姿态直接自适应模糊预测控制

对具有模型不确定性和未知外干扰的卫星姿态系统提出了多输入多输出直接自适应模糊预测跟踪控制设计方法. 此方法先基于卫星姿态动力学模型设计出非线性广义预测控制律, 再构造直接自适应模糊控制器逼近预测控制律中因模型不确定性引起的未知项. 文中证明了所设计的控制律能使卫星跟踪给定的期望姿态轨迹, 跟踪误差收敛到原点的小邻域内. 仿真结果验证了此方法的有效性.     

基于SVM的逆模型控制在挠性卫星姿态控制中的应用

针对带有挠性太阳帆板卫星的姿态控制问题,设计了基于支持向量机的逆模型控制律,采用模态分析方法对姿态模型进行简化处理;首先设计了基于支持向量机的恒衰减因子逆模型控制律,分别在无干扰、阶跃干扰和周期性干扰三种情况下进行仿真;考虑执行机构的力矩输出有限,在对恒衰减因子取不同值下的仿真结果进行分析的基础上,又分别设计了衰减因子取分段函数形式及输入限幅的控制律;仿真结果显示,设计的控制律能够使系统具有好的稳定效果和动态品质,有效地减小了挠性模态振动对姿态控制的影响,并对扰动具有一定的抑制能力。     

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.     

小型无人直升机姿态非线性鲁棒控制设计

本文针对小型无人直升机的姿态控制问题,通过系统参数辨识,获得了较为准确的无人直升机姿态动力学模型.并根据无人直升机的动态特性,设计了基于神经网络前馈与滑模控制的非线性鲁棒姿态控制律,该控制律对直升机模型的先验知识要求较低.利用基于Lyapunov的分析方法证明,设计的控制律能够实现对无人直升机姿态角的半全局指数收敛镇定控制,并能确保闭环系统的稳定性.基于姿态飞行控制实验平台的实时飞行控制实验结果表明,提出的控制设计取得了很好的姿态控制效果,并对系统不确定性和外界风扰动具有较好的鲁棒性.     

转动惯量存在不确定性的挠性航天器滑模姿态控制

在转动惯量存在不确定性时,采用滑动模态控制方法对挠性航天器设计了姿态镇定控制律.由于挠性模态是不可量测的,首先设计了部分状态观测器对挠性模态进行估计.进而结合滑模控制方法,提出了基于观测器的滑模姿态控制律.采用Lyapunov方法证明了在存在转动惯量不确定性时,所设计的滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定.最后,通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性.     

受扰挠性卫星全局稳定姿态跟踪控制

挠性卫星的姿态跟踪控制要求同时考虑卫星本体姿态跟踪和挠性附件振动对姿态跟踪影响。本文针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的挠性卫星姿态跟踪控制问题，考虑目标姿态角速度可以时变的一般情形，设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并利用Barbalat引理证明了系统的全局稳定性。数学仿真结果表明该控制律能使闭环控制系统的姿态跟踪全局渐近稳定，从而有效消除常值干扰和正弦干扰，保证卫星本体跟踪精度。     

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λi为0.25,预测时域Np为10,控制时域Nc为9,仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法（NMPC）,验证本文控制方法的有效性和优越性。     

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.     

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.     

带有挠性附件卫星的自适应内模控制

挠性部件诱导的振动干扰有时严重影响大型卫星姿态指向和稳定度。为了保证姿态控制的高精度和高稳定度,本文导出了带有“拍打”运动的挠性卫星数学模型,并指出模型的不确定性;给出了卫星姿态控制器的基本形式,分析了控制器参数的选取准则以保证姿态控制系统的稳定性;进而利用在轨辨识在线修正控制器参数形成了卫星姿态的自适应内模控制器。分析和实验表明,本文提出的自适应内模控制器能够有效提高大型卫星的姿态指向精度和稳定度。     

作业型水下机器人纵、横倾姿态自适应区域控制方法

本文主要研究作业型自主式水下机器人(AUV)的纵、横倾姿态自适应区域控制问题.在实际作业中,机械手作业干扰和环境不确定性等因素将影响作业过程的艇体姿态控制,进而影响运动、作业的精度.针对此姿态稳定性控制问题,提出一种基于RBF(径向基函数)神经网络的水下机器人姿态自适应区域控制方法.针对系统模型的不确定因素,采用RBF神经网络对其进行在线估计,引入滑模控制项对估计误差进行在线补偿;针对RBF神经网络控制参数的取值问题,设计网络权值、径向基中心与方差的在线调整律,对控制参数进行自适应学习,以适应机器人艇体的不同姿态变化;针对艇体姿态的快速稳定收敛需求,在区域控制器中加入PI(比例-积分)环节,缩短姿态调节时间、降低稳态误差.基于李亚普诺夫稳定性分析,从理论上证明区域控制误差一致渐近稳定.最后,通过作业型水下机器人样机的纵、横倾姿态控制实验,验证了本文方法的有效性.     

有扰情况下全局稳定姿态跟踪控制

许多空间飞行任务要求卫星姿态跟踪控制。由于卫星在跟踪过程中不可避免要受到各种干扰，因此有必要研究有扰情况下卫星的姿态跟踪问题。本文率先针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的姿态跟踪控制问题，采用退步法和内模原理设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并结合Lyapunov直接法和Barbalat引理证明了系统的全局渐近稳定性。理论分析和数学仿真结果表明该控制律能使系统全局渐近稳定，能够有效消除常值干扰和正弦干扰。     

月球着陆器最终下降段的有界控制方法研究

本文对月球着陆器最终下降段的控制方法进行了研究,提出了一种同时保证主推力与姿态控制力矩有界的方案,并从理论证明了制导与姿态控制系统的联合稳定性。本文的主要创新之处在于:提出了一种形式上更为简单的嵌套饱和函数形式的制导律,该制导律具有调节推力上界与着陆器的最大偏斜角,以及限制速度大小等优点;提出了一种具有饱和函数限制形式的姿态控制律,证明了力矩的有界性,并给出了力矩上界的具体估计方法;运用级联系统的相关理论严格证明了联合系统的全局渐近稳定性。文章最后用数值仿真验证了本文方案的可行性。