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.     

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.     

参数未知航天器的姿态接管控制

失效航天器的参数未知给姿态接管控制带来很大挑战,为此,针对该控制问题提出一种基于控制系统重构的失效航天器姿态接管控制方法.首先,采用改进的自适应动态逆控制重构姿态接管控制律,并利用Lyapunov方法分析系统稳定性;然后,对推力器构型矩阵进行重构,并通过基于零空间修正伪逆的控制分配算法对推力器进行推力重分配,实现对参数未知航天器的姿态接管控制.最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性.     

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.     

几何约束下的航天器姿态机动控制

针对航天器姿态机动过程中受几何约束的问题,提出一种控制方法使系统在满足局部约束的情况下获得较好的全局性能.为了考虑全局性能并减少全局规划的计算代价,采用伪谱法以较少节点得到满足几何约束的路径节点.在局部节点跟踪控制中,通过分析航天器姿态机动所受的几何约束以及四元数在线性化状态方程中的传递形式,设计具有保守性的几何约束凸化表达式,并给出了姿态机动预测控制律.仿真结果验证了所提出方法的可行性和有效性.     

挠性航天器姿态机动的变结构主动振动抑制

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题, 提出了一种双回路鲁棒主动振动控制方法. 首先, 对各低阶振动模态设计正位置反馈补偿器, 增加挠性模态的阻尼, 使其振动能够快速衰减; 然后, 基于变结构输出反馈控制理论, 给出控制器的设计方法. 最后, 将该方法应用于挠性航天器姿态机动控制, 仿真结果表明, 所提出的方法是可行而有效的.     

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。     

基于路径规划的挠性航天器姿态自适应控制

针对挠性航天器存在动力学参数不确定性以及三轴非线性强耦合的特点,提出了一种基于余弦函数路径规划的姿态自适应控制方法。首先,分析挠性航天器动力学模型,给出了其姿态控制系统的总体结构;然后,为有效抑制挠性附件振动对控制性能的影响,设计了一种余弦角加速度姿态路径规划方法对指令信号进行柔化,以减少指令信号中的高频成分;最后,将柔化指令信号作为控制系统的期望输入信号,并采用基于多输入多输出特征建模理论,设计了姿态自适应跟踪控制器。通过MATLAB/Simulink仿真,验证了所提姿态控制策略的有效性。     

考虑状态约束的航天器编队分布式姿态协同跟踪控制

针对有向通信拓扑结构下的航天器编队姿态协同控制问题,提出一种基于反步法的分布式姿态协同跟踪控制律.在仅有部分跟随航天器可以获取动态领航航天器信息的情况下,利用多层神经网络的逼近特性对系统的非线性不确定性进行估计.同时,考虑到航天器编队的姿态协同跟踪控制性能,构造Barrier Lyapunov函数,使得状态变量保持在预设的约束区间内,进而实现对姿态跟踪误差的约束.根据代数图论和Lyapunov理论,证明跟随航天器的姿态跟踪误差最终有界.仿真分析表明了所提出控制方法的有效性.     

基于反步法的主从航天器相对姿态控制

对主从航天器的相对姿态控制问题,考虑从航天器系统不确定因素,提出了一种基于反步法的姿态控制方法,并引入自适应控制律.该方法首先根据主从航天器的相对位置信息,解算出从航天器观测轴指向主航天器以及从航天器跟踪主航天器轨道坐标系等两种任务的期望姿态;然后基于修正罗德里格参数(MI(P)描述的从航天器姿态误差动力学模型设计了姿态控制器以及针对航天器惯量的不确定性设计了自适应控制律;并基于Lyapunov方法从理论上证明了该方法能够实现全局渐近稳定的相对姿态控制.最后将该方法应用于某编队飞行任务,仿真结果表明此控制器能够实现其编队飞行控制,具有良好的控制性能.     

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.     

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.     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,本文提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛故障容错控制方案.通过引入能够避免奇异点,且具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束条件有限时间收敛的姿态跟踪容错控制律,利用参数自适应方法使控制器不依赖转动惯量和外部干扰的上界信息.Lyapunov稳定性分析表明:在存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定以及执行器故障等约束条件下,本文设计的控制律能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对执行器故障具有良好的容错性能.数值仿真校验了该控制律在姿态跟踪控制中的优良性能.     

Inverse optimal sliding mode control of spacecraft with coupled translation and attitude dynamics

This paper proposes two robust inverse optimal control schemes for spacecraft with coupled translation and attitude dynamics in the presence of external disturbances. For the first controller, an inverse optimal control law is designed based on Sontag-type formula and the control Lyapunov function. Then a robust inverse optimal position and attitude controller is designed by using a new second-order integral sliding mode control method to combine a sliding mode control with the derived inverse optimal control. The global asymptotic stability of the proposed control law is proved by using the second method of Lyapunov. For the other control law, a nonlinear H_∞ inverse optimal controller for spacecraft position and attitude tracking motion is developed to achieve the design conditions of controller gains that the control law becomes suboptimal H_∞ state feedback control. The ultimate boundedness of system state is proved by using the Lyapunov stability theory. Both developed robust inverse optimal controllers can minimise a performance index and ensure the stability of the closed-loop system and external disturbance attenuation. An example of position and attitude tracking manoeuvres is presented and simulation results are included to show the performance of the proposed controllers.     

分布式航天器编队约定时间姿轨耦合协同控制

针对具有参数不确定性、外部扰动和预设性能需求的航天器编队约定时间姿轨耦合控制问题, 本文基于预设性能控制方法提出了一种低复杂度的约定时间编队姿轨耦合协同控制器, 使得航天器在设定时间内形成编队, 且编队误差满足预设的各种性能指标. 首先, 通过结合有限时间稳定概念引入一种约定时间性能函数, 其系统稳定时间可以由使用者任意设定; 然后, 把约定时间性能函数与预设性能控制方法结合起来, 提出了不依赖航天器质量和转动惯量等信息的约定时间编队协同控制器, 保证了编队状态量的收敛性能和收敛时间, 并使用李雅普诺夫理论证明了其稳定性. 最后, 通过仿真验证了该控制方案的有效性     

基于观测器的网络化多智能体预测控制

研究含模型不确定性的刚性航天器输入受限时的姿态跟踪控制设计问题.针对修改的罗德里格斯姿态参数描述的航天器姿态跟踪动力学模型,基于一种有界非线性连续函数和修改的罗德里格斯姿态参数自身有界性,设计鲁棒自适应状态反馈受限控制器,不确定参数的自适应更新律可保证在线估计参数的有界性.通过所提出的输入受限控制设计方法给出输入受限幅值、期望轨迹上界、模型不确定性上界与控制器增益之间的定量关系,并采用李亚普诺夫方法证明通过选择合适的控制器参数可以保证闭环系统角速度误差渐近收敛到零,且姿态跟踪误差收敛到原点小邻域,同时保证控制量始终在预先给定的受限范围内.仿真结果验证了所设计的控制器可在输入受限的情况下完成控制目标并有效抑制模型的不确定性影响.     

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.

     

挠性飞行器姿态稳定鲁棒变结构控制

针对三轴稳定卫星的模型参数存在不确定性,设计了一种鲁棒变结构控制器,它能确保系统在一定条件下具有全局渐近稳定性,并且系统在一定条件下能在有限的时间内到达滑动平面,具有鲁棒到达条件,同时控制律实现简单,采用积分型滑动平面,能保证系统在到达滑动平面后具有良好的性能,最后根据卫星参数给出了具体的数值算例,数值仿真结果良好,从数值仿真结果来看控制器在存在较大不确定性情况下（考虑系统转动惯量有5％的不确定性）依然保持良好性能,具有很强的鲁棒稳定性,而且,采用边界层改进控制器后,能有效地解决抖振问题,同时控制器的性能基本保持不变,说明鲁棒变结构控制器的设计是有效的。     

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.