永磁同步电机的模型预测与反演控制

为提高永磁同步电机的控制精度、负载工作能力和响应速度,在d-q坐标系下分析了电机的电气特性与机械特性,建立了连续时间系统的状态空间模型.在离散控制系统中,利用状态转移模型预测电机状态,并根据估计的状态偏差运用广义逆矩阵理论反演控制指令.从系统状态可控性的角度,提出了一种基于模型预测与反演,转角转速联合控制的方法.并依据...     

交会期间自动变轨飞行器的制导,导航与控制

自动变轨飞行器（ＡＴＶ）是欧洲为阿尔法国际空间站的在轨补给任务而设计的一种后勤变轨飞行器，在ＡＴＶ设计中难度最大的要求是与载人空间站的自主的轨交会能力，ＡＴＶ是欧洲研制的第一个具有这种能力的飞行器。目前，ＡＴＶ正处于研制计划的Ｂ阶段。包括详细设计和首飞模型结构研制的Ｃ／Ｄ阶段计划于１９９７年开始，２００２年首飞，文章集中讨论Ｂ阶段（即确定ＡＴＶ与阿尔法空间站交会期间其制导，导航和控制（ＧＮＣ的功能     

交会对接多航天器联合闭环测试模式设计与验证

在载人航天领域,多航天器交会对接技术是研制的关键和难题,闭环测试系统设计的重要性尤为突出,用于交会对接的多航天器联合闭环测试的设计与实施,实现了多航天器间的一体化实时动态同步电测,实现了多航天器及其测试系统的时序同步,以及敏感器及其模拟器和机电系统的动力学模型同步动态联合实时驱动的同步控制,采用了多航天器一体化实时精确控制的自动化测试,以及多航天器间多通道大回路信息流的实时统一管理。解决飞行任务阶段,多航天器交互状态的验证问题,在地面真实呈现交会对接飞行的全过程,达到多船器联合电测的目的。     

最近十年航天器制导、导航与控制（GNC）系统故障分析研究

提高航天器运行可靠性，减少其故障发生率，对空间技术及其应用来说都是关键问题，对军用卫星的实效性和长寿命卫星与民用卫星的经济性意义尤其重大。文章首先对最近10年(1990—2001年)成功发射并在轨运行的764颗航天器进行了概述和分类，其后就收集记录的GNC系统故障实例予以整理研究，并分析了造成这些故障的原因，从而提出今后设计和研制的改进意见。     

航天器控制若干技术问题的新进展

航天器姿态和轨道控制技术是航天器研制中的关键技术,对实现复杂航天器的控制以及未来复杂的飞行任务都具有非常重要的作用。文中通过一些飞行实例概述国内外航天器控制技术的发展,论述了航天器控制技术在编队飞行、自主交会与对接和复杂对象控制中的进展。文章通过揭示航天器控制技术领域的研究和发展趋势,为我国航天器制导、导航与控制技术的发展提出建议。     

空间交会对接过程的动力学模型与仿真

在空间交会对接过程中．从首次接触碰撞到完成捕获与捕获后的缓冲校正这两个阶段是对接动力学研究的重点。建立动力学模型进行仿真是研究的一个有效途径．以有内导向办异体同构周边式对接机构为研究对象．从机构的物理模型出发建立了对接捕获阶段与缓冲校正阶段的动力学模型。在动力学仿真软件DADS的接口上开发相应的用户模块．完成交会对接过程的动力学仿真．     

航天器近距离相对运动的鲁棒约束模型预测控制

航天器在轨服务对近距离相对运动精确控制的需求越来越强.通过引入集合理论,采用鲁棒可变时域模型预测控制和混合整数线性规划,解决了航天器近距离相对运动的鲁棒控制问题,便于处理控制约束和状态约束,对未知有界干扰、推力误差和导航误差具有鲁棒性.首先,针对航天器近距离相对运动过程中向任意目标集的有限时间机动问题,采用离散化C-W(Clohessy-Wiltshire)动力学模型、时间一能量组合优化目标函数和线性约束表示建立了控制问题模型;其次,给出了基于约束压缩的鲁棒可变时域模型预测控制算法,可以确保鲁棒可行和鲁棒完成;引入i-步鲁棒可控集分析问题可行性,通过集合运算将导航误差处理成有界干扰,采用混合整数线性规划完成了控制器设计.最后,数值仿真验证了模型的有效性.     

实时数据驱动的交会对接仿真平台设计与实现

航天器地面综合测试时,为了在测试数据显示基础上,动态展示航天器交会对接过程,验证交会对接飞行方案的正确性,为航天员手控交会对接训练提供支持,设计航天器交会对接仿真系统,给出交会对接仿真平台设计架构。通过对航天器建模、虚拟场景装配、模型驱动方法、阳照区/阴影区绘制、姿态和星下点轨迹计算方法研究,开发实现航天器交会对接仿真平台。平台由实时测试数据驱动,在航天器地面静态测试下,可以实时显示航天器三维飞行状态及星下点轨迹。目前,仿真平台已经应用于航天器地面综合测试过程中,同时,平台可以扩展支持航天器在轨飞行动态展示,丰富了航天器测试和监视手段,具有较高工程应用价值。     

基于网络时滞补偿的模型预测控制

为了解决网络控制系统中不确定时滞、尤其是随机的长时延对控制性能造成的影响,提出了基于模型匹配和多步预测输出补偿的预测控制思想来改善控制性能。该算法通过采集到的传感器端至控制器端的时滞来估算控制器端至执行器端的时滞,并给出了传感器端和执行器端数据处理的算法,建立起与实际网络结构匹配的预测控制模型,采用多步预测输出来补偿控制量的传输滞后。该模型不依赖于网络参数和时滞分布特性,可根据不同对象选取合适的预测控制算法,适用于实时系统。通过基于倒立摆对象的仿真和控制实例验证了该算法能有效地改善控制性能。     

多模型预测函数控制及其应用研究

提出了多模型预测函数控制策略，并给出了模型平滑切换方法。格多模型预测函数控制策略应用于主汽温控制系统，仿真结果表明，采用多模型预测函数控制策略的主汽温控制系统的动态品质明显优于采用单一模型的系统。     

Model predictive control system design and implementation for spacecraft rendezvous

This paper presents the design and implementation of a model predictive control (MPC) system to guide and control a chasing spacecraft during rendezvous with a passive target spacecraft in an elliptical or circular orbit, from the point of target detection all the way to capture. To achieve an efficient system design, the rendezvous manoeuvre has been partitioned into three main phases based on the range of operation, plus a collision-avoidance manoeuvre to be used in event of a fault. Each has its own associated MPC controller. Linear time-varying models are used to enable trajectory predictions in elliptical orbits, whilst a variable prediction horizon is used to achieve finite-time completion of manoeuvres, and a 1-norm cost on velocity change minimises propellant consumption. Constraints are imposed to ensure that trajectories do not collide with the target. A key feature of the design is the implementation of non-convex constraints as switched convex constraints, enabling the use of convex linear and quadratic programming. The system is implemented using commercial-off-the-shelf tools with deployment using automatic code generation in mind, and validated by closed-loop simulation. A significant reduction in total propellant consumption in comparison with a baseline benchmark solution is observed.     

Chance-constrained model predictive control for spacecraft rendezvous with disturbance estimation

A robust Model Predictive Controller (MPC) is used to solve the problem of spacecraft rendezvous, using the Hill-Clohessy-Wiltshire model with additive disturbances and line-of-sight constraints. Since a standard (non-robust) MPC is not able to cope with disturbances, a robust MPC is designed using a chance-constrained approach for robust satisfaction of constraints in a probabilistic sense. Disturbances are modeled as Gaussian allowing for an explicit transformation of the probabilistic constraints into simple algebraic constraints. To estimate the distribution parameters a predictor of disturbances is proposed. Both robust and non-robust MPC control laws are compared using the Monte Carlo method, which shows the superiority of the robust MPC.     

Pulse-width predictive control for LTV systems with application to spacecraft rendezvous

This work presents a Model Predictive Controller (MPC) that is able to handle Linear Time-Varying (LTV) plants with Pulse-Width Modulated (PWM) control. The MPC is based on a planner that employs a Pulse-Amplitude Modulated (PAM) or impulsive approximation as a hot-start and then uses explicit linearization around successive PWM solutions for rapidly improving the solution by means of quadratic programming. As an example, the problem of rendezvous of spacecraft for eccentric target orbits is considered. The problem is modeled by the LTV Tschauner–Hempel equations, whose state transition matrix is explicit; this is exploited by the algorithm for rapid convergence. The efficacy of the method is shown in a simulation study.     

带有控制饱和约束的航天器交会输出反馈控制

针对航天器交会问题存在外部干扰和输入饱和的情况, 本文提出了一个输出反馈跟踪控制器. 仅利用测量得到的相对位置信息, 设计了一个滑模观测器用来估计相对角速度, 并根据该估计值设计了一个鲁棒反步控制律. 通过引入一个辅助系统, 对输入饱和情况进行了分析. 采用Lyapunov 稳定性理论, 证明了本文提出的该控制器能够保证位置和速度跟踪误差的一致有界性. 最后通过数值分析验证了所设计的输出反馈控制器的有效性.     

基于特征跟踪的空间交会接近目标位姿测量研究

基于模拟航天器交会对接的地面实验系统,提出一种相对位姿测量算法,在保证测量精度的基础上,对特征提取具有稳健性,同时计算效率更高。首先使用自适应阈值方法对特征进行判断和提取,然后采用倒序搜索的算法,对第一帧在全局范围内进行搜索,后续的图像利用Kalman滤波器进行预测估计搜索,极大地提高了搜索效率和抗干扰能力,再由提取到的特征点信息利用P3P等算法进行追踪航天器和目标航天器的相对位姿计算,将此结果传递给控制系统以使控制系统发出相应的指令。实验结果显示,可缩小搜索区间范围至2像素,计算精度为0.001 m和0.001°,同时计算速度提高63.2%。     

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.     

Robust control for spacecraft rendezvous with disturbances and input saturation

This paper deals with the stabilization problem of spacecraft rendezvous in the presence of disturbances and input saturation. A dead zone operator based model is used to describe the saturation phenomenon. By using Lyapunov method, two groups of control laws are obtained, which ensure the input-to-state stability and the input-to-state practical stability of the closed-loop systems respect to disturbance acceleration, respectively. Simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the proposed approaches.     

基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究

航天器交会对接技术是众多空间任务得以开展的关键性技术,在进行空间在轨飞行任务之前,需开展相应的地面实验研究.首先,基于二维交会对接模型,提出了一种基于势函数法的交会对接控制方法.其次,考虑与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,并采用超二次曲线去描述该障碍物外形.然后,基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计了航天器气浮模拟器以及电磁对接机构,并开展了交会对接地面实验研究.实验结果表明了所搭建实验系统的可行性,同时也验证了所提出交会对接控制方法的有效性.     

交会对接模拟系统姿态位置耦合有限时间控制

针对航天器交会对接模拟系统的姿态同步和位置跟踪控制问题,在存在外界扰动和系统不确定性的情况下,基于改进的快速非奇异终端滑模面和改进的自适应律,采用双闭环控制结构分别设计内环和外环有限时间姿态位置耦合控制器.所提出的自适应律不仅能有效地抑制扰动和不确定性且能保证控制器是连续的.李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,所提出的控制方法能保证系统内环和外环跟踪误差的有限时间稳定性和准确收敛性.     

Inverse optimal adaptive backstepping control for spacecraft rendezvous on elliptical orbits

The spacecraft rendezvous problem with the target spacecraft on an arbitrary elliptical orbit is addressed using adaptive backstepping control. The relative motion of two spacecrafts is established based on the Lawden equations. In order to take the parametric uncertainties into consideration, an adaptive backstepping controller is proposed in this paper, which is optimal with respect to a family of cost functionals. With Lyapunov analysis, the proposed control laws can guarantee the globally asymptotic stability of the whole system and estimate the upper bounds of uncertain model parameters at the same time. Furthermore, a group of modified control laws is obtained, which stabilises the closed-loop system under input constraints. Finally, simulation results are presented to validate the effectiveness of the proposed approach.