一种SGCMG系统方向奇异规避操纵律

针对航天器姿态机动中单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异问题,对于沿欧拉轴机动情况下SGCMGs的方向奇异框架角进行求解,并提出一种新的奇异规避操纵律。首先基于逆投影方法将角动量方向固定的奇异框架角求解问题描述为约束下非线性优化问题进行求解;然后基于方向约束下奇异框架角提出一种方向奇异规避(DSA)操纵律,通过包含奇异参数梯度和误差框架角矢量的零运动项分别规避SGCMG构型的隐奇异和显奇异状态。数值仿真结果表明所提出操纵律能实现无奇异的姿态机动。

敏捷小卫星姿态控制律和操纵律一体化设计

研究了以控制力矩陀螺(CMG)为执行机构的敏捷小卫星姿态控制系统控制律和操纵律的一体化设计.首先,采用4个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)构成典型的金字塔构型的CMG,并根据CMG的框架轴轴承会逐步退化建立CMG动力学模型.然后,基于自适应控制思想,设计控制律和操纵律一体化的控制器,同时考虑到为避免CMG奇异性影响,基于Lyapunov理论证明其组成的闭环系统渐近稳定.最后,通过建立敏捷小卫星闭环姿态控制系统对算法进行仿真验证,仿真结果表明该算法简单有效,能够实现敏捷小卫星快速姿态机动.

单框架控制力矩陀螺的奇异分析及操纵律设计

通过对单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的奇异问题的分析,设计了一种新的伪逆解与零运动向量相结合的操纵律来回避SGCMGs的内部奇异点。首先通过绘制金字塔构型SGCMGs奇异角动量曲面及典型角动量切面对应的奇异度量极值曲面,研究了其奇异的几何特性。然后以缩小期望力矩与各SGCMG角动量的夹角为目的,给出了一种新的零运动向量构造方法用于操纵律的设计。该方法在全局范围内考虑,并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免奇异度量局部极值所对应的内部显奇异点。最后将其与现有的几种操纵律进行了数学仿真对比,验证了其有效性及优越性。

单框架控制力矩陀螺复合操纵律设计

为改善单框架控制力矩陀螺(SGCMG)动态操纵律的奇异回避和逃逸性能,文章设计了一种基于前馈和反馈的复合操纵律。当SGCMG系统远离奇异时,不引入前馈,仅采用基于反馈的动态操纵律;当SGCMG系统接近或陷入奇异时,在动态操纵律的基础上,引入前馈信息,辅助SGCMG系统回避或逃逸奇异。复合操纵律不但可以保留动态操纵律的优点,不需计算Jacobi矩阵的伪逆,计算简单,易于实现,而且可以逃逸椭圆型内部奇点。对某SGCMG系统的仿真结果表明,复合操纵律是可行的。

基于非线性观测器的控制力矩陀螺操纵律设计

为改善操纵性能,将单框架控制力矩陀螺(SGCMG)操纵律设计问题转化为非线性系统的状态观测问题,并基于状态观测理论,导出了一种新型的SGCMG操纵律.通过适当的参数选择,SGCMG操纵律可使操纵误差在理论上渐近收敛至零;不用计算Jacobi阵的伪逆,而代之以Jacobi阵的转置,从而避免了由Jacobi阵求伪逆带来的一系列问题.同时,该操纵律形式简单,计算量小,易于实现.对应用在航天器上的某SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.

使用VSCMGs的IPACS的奇异性分析与操纵律设计

研究使用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)的能量/姿态一体化控制系统(IPACS)的奇异性分析与操纵律设计问题。提出了VSCMGs的CMG奇异与IPACS奇异两种概念。对于给定的CMG奇异方向,采用优化理论得到了在该方向上VSCMGs的转子达到角动量饱和时的转速表达式,并给出了IPACS奇异的充要条件及其证明。分析了考虑星体角速度影响时的实际IPACS的奇异性质。在此基础上为实现合理的动量管理,采用加权矩阵的方法设计了IPACS的操纵律。最后通过算例验证了所得到的IPACS奇异判据的正确性,并通过数值仿真,验证了所设计的操纵律的正确性及其良好的动量管理性能。

高姿态稳定度敏捷卫星的VSCMGs操纵律研究

研究采用变速控制力矩陀螺群(VSCMGs)作为姿态控制执行机构的高姿态稳定度敏捷卫星的操纵律设计问题。将VSCMG分为控制力矩陀螺(CMG)和动量轮(MW)两种工作模式,针对每种工作模式进行奇异性分析,并给出逃避奇异的方法。为了获得较好的控制效果,还研究了VSCMGs转子转速向标称转速平衡的方法以及通过调整转子轴构型使转子转速快速返回到标称值的方法。最后通过对算例进行仿真,验证了所设计的操纵律的有效性。

单框架控制力矩陀螺动态操纵律设计

作为应用在航天器上的惯性执行机构,单框架控制力矩陀螺(SGCMG)的操纵性能对航天器姿态控制精度有着极大的影响。在常规的SGCMG操纵律中,一般都需要计算Jacobi矩阵的伪逆。然而,当Jacobi矩阵奇异时,其伪逆不定,从而可能导致算法失败。为避免以上情况出现,本文设计了一种动态操纵律。该操纵律不用计算Jacobi阵的伪逆,而是代之以Jacobi阵的转置,从而避免了由Jacobi阵求伪逆带来的一系列问题。同时,该操纵律可使操纵误差在理论上指数收敛至零,且形式简单,易于实现。对某4 SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的。

基于奇异值分解的SGCMG操纵律分析

基于奇异值分解理论,对航天器姿态控制系统中使用的单框架控制力矩陀螺(SGCMG)的操纵律进行了分析和比较研究.借助于奇异值分解方法,分析了各种操纵律逃逸奇异的机理,重点分析了各种操纵律对陀螺构型奇异性、输出力矩误差的影响.通过仿真算例定量地分析与比较了各种操纵律的性能,所得结果可供工程设计人员参考.

一种变鲁棒系数的SGCMGs伪逆操纵律

针对五棱锥单框架控制力矩陀螺群(Single gimbaled control moment gyroscopes,SGCMGs)中存在的奇异问题,建立五棱锥构型SGCMGs系统动力学模型,基于双曲正弦函数和分段函数设计鲁棒系数,改进鲁棒伪逆操纵律,使SGCMGs系统在处于奇异状态时,保证框架角速度不为零,从而逃离奇异;在接近奇异状态时迅速避开奇异,在远离奇异状态时更精确地输出期望力矩。通过SGCMGs不同类型力矩输出和挠性航天器大角度姿态机动控制的仿真结果表明,所提SGCMGs操纵律既能够较好地规避奇异状态,又能在远离奇异时精确地输出期望力矩。

考虑框架伺服特性时SGCMG系统操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统操纵律的设计中 ,通常假定框架伺服系统具有理想的伺服跟踪性能 .然而 ,框架伺服系统有限的带宽和实际存在的各种扰动力矩都会使其跟踪性能下降 .为抑制SGCMG框架伺服特性对操纵性能的影响 ,设计了一种新型操纵律 .该操纵律综合考虑了SGCMG系统运动学和动力学特性 ,可以根据航天器姿态控制给出的角动量 (或力矩 )指令 ,直接计算出每个SGCMG框架驱动系统所需的控制力矩 .由于操纵律没有算法奇异 ,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下 ,可使操纵误差指数收敛至零 .同时 ,操纵律形式简单 ,易于实现 .应用在航天器上的某 4 SGCMG系统的仿真结果表明 ,上述操纵律是可行的 .

参数不确定SGCMG系统的自适应操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统操纵律的设计中,如果考虑框架伺服特性,往往假设系统的物理参数是确切已知的.为消除参数的不确定性对操纵性能的影响,设计了一种自适应操纵律.该操纵律可对系统物理参数进行在线估计,并能根据航天器姿态控制给出的角动量(或力矩)指令,直接计算出每个框架驱动系统所需的控制力矩.由于操纵律没有算法奇异,在SGCMG系统不出现运动奇异的情况下,可使操纵误差渐近收敛至零.同时,该操纵律对系统参数变化具有良好的适应性,且形式简单,易于实现.对应用在航天器上的某SGCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.

参数不确定SGCMG系统的鲁棒操纵律设计

在单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统操纵律的设计中 ,如果考虑框架伺服特性 ,往往假设系统的物理参数是确切已知的。为消除参数的不确定性对操纵性能的影响 ,设计了一种鲁棒操纵律。该操纵律仅采用系统物理参数的预估值 ,根据航天器姿态控制给出的角动量 (或力矩 )指令 ,可直接计算出每个框架驱动系统所需的控制力矩。由于操纵律没有算法奇异 ,在 SGCMG系统不出现运动奇异的情况下 ,可使操纵误差指数收敛至零。同时 ,该操纵律对系统参数变化具有良好的鲁棒性 ,且形式简单 ,易于实现。对应用在航天器上的某 4 - SGCMG系统的仿真结果表明 ,上述操纵律是可行的。

附加框架角速度的SGCMG操纵律设计

为使单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统在操纵过程中尽量回避内部奇异状态,设计了一种新的基于附加框架角速度的SGCMG系统操纵律。首先在分析SGCMG系统接近奇异状态时期望力矩投影与各个SGCMG角动量夹角关系的基础上,提出对角动量靠近期望力矩投影方向的SGCMG添加附加框架角速度的方法使SGCMG系统避免陷入内部奇异;然后基于奇异值分解理论证明该操纵律不存在框架锁死现象,并分析了操纵律产生的力矩误差;最后以金字塔构型的SGCMG系统为例对设计的操纵律进行了力矩输出仿真,结果表明设计的操纵律能有效地回避和脱离内部奇异状态,且操纵过程中产生的力矩误差较小。

平行构型双框架控制力矩陀螺操纵律研究

研究了平行构型双框架控制力矩陀螺(DGCMG)的操纵律。分析平行构型DGCMG系统奇异情况及控制特点,在此基础上给出角分布操纵律的设计思想及具体形式。从解决奇异问题等方面,对其性能进行分析。针对无法逃离奇异的不足和角分布运动的权重系数动态变化的需要,改进其外框架角速率指令并仿真验证改进后性能。

基于增益调度的变速控制力矩陀螺操纵律设计

针对以往变速控制力矩陀螺(VSCMGs)加权操纵律存在增益调度与卫星姿态机动信息脱节的不足,设计一种VSCMGs改进增益调度操纵律.不同于以往VSCMGs加权操纵律仅通过奇异度进行增益调度,改进型操纵律采用奇异度结合误差四元数进行增益调度设计,能够根据卫星姿态机动信息进行增益调度,同时该操纵律通过添加零运动,实现规划CMGs框架角和转子转速收敛在标称值附近,避免转子转速饱和.仿真结果表明改进增益调度操纵律能够实现CMGs模式和RWs模式二者之间平滑切换,有利于实现大力矩输出和精细力矩输出.

变速控制力矩陀螺模式调度型操纵律设计

变速控制力矩陀螺(VSCMG)是一种飞轮转速可变的单框架控制力矩陀螺,可工作在控制力矩陀螺(CMG)模式、飞轮(RW)模式以及VSCMG模式.考虑VSCMG的工作特点,设计一种工作模式自主调度的操纵律.当系统远离奇异时,仅以CMG模式工作,产生大的输出力矩.当系统接近奇异时,以VSCMG模式工作,采用RW协助CMG回避奇异.当航天器处于姿态稳定模式需要精细控制力矩时,仅以RW模式工作.该操纵律由模式调度策略、CMG操纵律、RW操纵律3部分组成,把一个3×2N矩阵的求伪逆问题转化为两个3×N矩阵的求伪逆问题,物理意义明显,奇异回避易于实现.对某4-VSCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.

姿态机动中SGCMG的一种改进奇异鲁棒操纵律设计

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)在卫星姿态控制中以其具有大力矩输出能力而受到重视并已成功应用于在轨卫星,其应用难点是构形奇异问题,特别是在快速连续机动的过程中,CMG框架角必须迅速脱离奇异状态.使用描述CMG输出力矩和期望控制力矩夹角的奇异度量方法,以便在仿真中观察判别CMG构形的奇异程度.着重改进CMG的奇异鲁棒操纵律,应用高斯函数的方法确定鲁棒系数.仿真实例表明,与传统的梯度型零运动相比,该方法可以在卫星的连续快速机动中使CMG系统更为迅速地摆脱奇异,更为快速地完成机动并减小姿态抖动.

VSCMG簇的操纵律优化设计

变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyro,VSCMG)簇相对于单框架控制力矩陀螺簇仅增加了飞轮转速可调自由度,实现难度不大,但能够缓解奇异问题。基于线性代数理论,从机理上分析了已有的添加零运动的加权伪逆操纵律不能规避VSCMG簇内所有奇异点。针对添加零运动的加权伪逆操纵律不能规避奇异点的问题,采用优化方法,设计出一种新型的VSCMG簇操纵律,能够规避采用传统添加零运动的加权伪逆操纵律不能规避的奇异点。最后搭建整个航天器姿态控制系统,仿真验证了所设计的新型操纵律奇异规避的有效性。

一种改进的SGCMGs奇异鲁棒伪逆操纵律算法

以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为卫星动量交换机构,基于建立的姿态控制系统与SGCMG系统的动力学模型,设计零动量卫星的PD(比例微分)解耦姿态控制律。为逃避奇异,提出了一种改进的单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)奇异鲁棒伪逆操纵律算法。某航天器姿态控制仿真结果表明:改进算法可避免奇异,算法有效性得以验证。