欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。

零角动量欠驱动航天器逆最优稳定控制律设计

研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数(CLF),并由此得到逆最优稳定控制律。该控制律可以避开求解Hamilton-Jacobi方程,最小化某一代价函数,同时具有扇形稳定裕度,对输入不确定性具有一定的鲁棒性。数学仿真结果表明,所设计的非线性不连续反馈控制律能够使姿态渐近稳定至平衡点,并具有最优性,以及在转动惯量存在不确定性时,扇形稳定裕度使系统具有一定的鲁棒性。

带有两个飞轮的欠驱动航天器姿态稳定控制研究

在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最大程度姿态稳定形式为航天器本体三轴角速度稳定,同时固连于航天器的某一特定视线轴指向任意给定惯性方向。利用一种新的姿态描述形式推导出了角速度为零时航天器的目标姿态,然后基于线性化后的系统设计了线性二次型最优控制器。数值仿真表明利用此控制器能实现所提出的姿态稳定形式,这对于无须实现本体系相对惯性系三轴姿态角为零,而只需对固连于本体的天线或相机进行惯性空间定向控制的航天器将完全满足其姿态控制要求,同时也能提高欠驱动航天器的可靠性。

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。

欠驱动航天器姿态调节滑模控制

针对欠驱动航天器的姿态调节问题,设计了基于滑模变结构控制方法的控制器.给出基于四元数的三轴稳定欠驱动航天器动力学模型和运动学模型,在此基础上首先利用广义逆和二阶滑模趋近律设计了航天器欠驱动轴的姿态调节控制律,给出了欠驱动轴控制器所具有的一般形式,分析了控制器的可实现性,并引入微小摄动量以保证控制器解的存在,在保证欠驱动轴稳定的情况下,又设计了一阶滑模趋近律控制器实现可控轴的调节,最后证明了该控制方法在干扰作用下是有界稳定的,并进行了数值仿真,验证了所推导控制律对欠驱动航天器姿态调节控制的有效性.

欠驱动航天器滑模速率阻尼控制

针对具有推力器执行机构的航天器,在一轴推力器失效的情况下,设计滑模变结构速率阻尼控制器,证明系统的稳定性;分析控制器的抗干扰能力,给出控制器参数选取的指导原则;通过将惯量积视为外界干扰的方法,解决了非对角惯量阵航天器的欠驱动控制设计问题.从工程实际情况出发,考虑了推力器的开关工作特性、角速度测量幅值受限、外界干扰和非对角惯量阵的影响.最后通过数学仿真验证了控制器的有效性和工程实用性.

基于动态逆法的欠驱动航天器姿态机动控制

针对轴对称欠驱动航天器的姿态机动控制问题,在欠驱动轴为对称轴且沿该轴的角速度为零的情况下,结合广义动态逆法和退步控制,设计了使姿态误差全局收敛的切换控制律。通过引入饱和函数和恰当的选择控制增益,消除了控制律在初始时刻和稳态阶段可能出现的奇异,同时避免了在机动初始阶段可能出现的大幅超调。经过严格的理论分析,证明在所设计的控制律作用下,姿态误差全局收敛,且控制律至多出现一次切换,不会出现颤振问题。数值仿真结果表明了该法的有效性。

基于欧拉四元数的欠驱动航天器姿态稳定性滑模控制

针对欠驱动航天器姿态稳定的非线性控制设计问题,给出了欠驱动航天器的姿态动力学方程和基于四元数描述的姿态运动学方程。根据航天器欠驱动轴的角速度分量是否为零分别设计相应的姿态稳定控制律。欠驱动轴角速度分量不为零时引进角速度误差和滑模函数,提出基于滑模函数的反馈控制律,使欠驱动航天器姿态达到稳定状态。数值仿真实验结果表明了所设计控制律的有效性。

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器,提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量,根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解,避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。

基于中心流形理论的欠驱动航天器姿态控制

考虑一类欠驱动航天器的执行机构为喷气推力器,根据航天器姿态动力学理论,建立欠驱动航天器姿态动力学方程。对于仅有两个反作用飞轮的零动量姿态控制系统设计了不连续的状态反馈控制器。基于给出的欠驱动航天器姿态动力学方程,设计控制律,利用中心流形方法判别驱动航天器系统在临界情形下的稳定性,得出欠驱动航天器姿态达到稳定状态的稳定性控制参数条件。数值仿真验证了所设计控制律的有效性。

基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制

现代航天器一般可以通过三正交反作用动量飞轮对其进行姿态机动控制并任意定位.研究了当其中某一个动量飞轮失效而不能输出完整三轴控制力矩时的欠驱动航天器姿态优化控制问题.在系统动量矩等于零时,其姿态控制问题可以转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.采用Gauss伪谱法(GPM)将带有两个反作用动量飞轮的航天器姿态非完整运动规划问题转换为非线性规划问题(NLP),再通过SQP(sequential quadratic programming)算法求解.通过数值仿真、优化控制能达到设计的零边界控制要求,方便伺服电机对动量飞轮的控制;规划得到的姿态曲线与数值积分得到的曲线几乎完全重叠;权衡最终的优化目标值、运行时间和精度三因素找到合适的插值配点个数;结果表明了该方法对欠驱动航天器的姿态优化控制是有效的.

基于微分平滑的欠驱动航天器运动轨迹设计

针对有两个控制力矩的欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题,通过分析系统的运动模型证明了欠驱动航天器是微分平滑的,找到了合适的平滑输出,采用微分平滑理论设计了欠驱动航天器从初始平衡状态到最终平衡状态的参考轨迹,并实现航天器对参考轨迹的跟踪。

欠驱动航天器姿态机动时间-能量最优控制研究

针对由动量飞轮作为执行机构的欠驱动航天器,研究以飞轮角加速度作为控制输入的航天器大角度姿态机动问题。利用四元数描述欠驱动航天器的姿态运动学模型,分别以时间最优控制、时间-能量最优控制作为目标函数进行了基于Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法的优化设计和讨论。采用Clenshaw-Curtis积分近似得到了性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题进行离散,转变为一个非线性规划(NLP)的问题,NLP问题则可应用序列二次规划方法计算。两种目标函数优化的结果均使系统从初始姿态机动到终端姿态,终端角速度也都达到了预定值,对比发现时间-能量最优结果的能耗值比时间最优的能耗值小,但其机动耗时较长。

欠驱动航天器编队重构的切换神经网络控制

针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利用径向基神经网络(RBFNNs)近似动力学系统中的不确定项,自适应滑模控制器在活跃区域外工作,利用自适应律来估计近似误差上界,并采用李雅普诺夫方法证明了闭环系统稳定性。数值仿真结果表明切换神经网络控制器可在欠驱动条件下实现编队重构,与线性滑模控制器相比,实现了控制器快速、高精度、强鲁棒等控制性能。

欠驱动航天器实时最优控制算法设计

针对欠驱动刚性航天器,提出了时间最优的闭环状态反馈控制算法。首先,利用直接Legendre伪谱法规划出航天器开环的姿态机动轨迹,并验证了所得最优控制输入的可行性。然后,以航天器实际运行轨迹与开环轨迹间的偏差为变量构造偏差方程,并提出了基于间接Legendre伪谱法的最优姿态稳定控制算法。最后,采用实时重规划策略实现了稳定控制器状态的反馈,从而完成了对参考轨迹的闭环跟踪。仿真结果表明所提算法运算量小,计算速度快,可以实时获取解析形式的控制输入修正量,而且对初始姿态存在扰动的情况具有一定的鲁棒性,运算精度较高。

欠驱动航天器姿态最优控制的近似动态规划方法

研究使用神经网络结构的近似动态规划(Approximate Dynamic Programming,ADP)方法解决欠驱动刚体航天器姿态运动的最优控制问题。首先,依据多体系统动力学理论建立研究对象的姿态运动方程,并将其转化为控制系统的状态方程,然后利用ADP方法,通过评价网络逼近代价函数,执行网络逼近最优控制,并且给出效用函数的具体表达式,最后通过神经网络的在线学习,实现对研究对象姿态运动规划的最优控制。数值仿真结果验证了ADP方法能够有效求解欠驱动航天器姿态运动规划最优控制问题的有效性。

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。

CG伪谱法在欠驱动航天器姿态机动最优控制中的应用

使用Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法研究带动量轮和推力器的欠驱动航天器姿态最优控制问题.基于欧拉姿态角和动量矩定理导出两类航天器姿态运动模型,采用Clenshaw-Curtis积分近似得到性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题离散为具有代数约束的非线性规划(NLP)问题,通过序列二次规划(SQP)算法求解.数值仿真结果表明,对两类欠驱动航天器的姿态机动最优控制均能达到设计控制要求,得到的姿态最优曲线与验证得到的曲线几乎完全重叠.

一种应用于欠驱动航天器的姿态控制方法研究

对欠驱动航天器的姿态控制进行了研究,设计了一种可适于多种情况的分段解耦控制器,用分段解耦的方法解决了欠驱动控制系统输入输出维数不统一的问题。由动力学方程中的耦合项建立姿态控制系统的状态微分方程。为降低失效轴角速度对系统的影响,先实现控制系统中动力学部分的镇定,再对运动学部分进行解耦。在每个分段中设计了一个比例微分(PD)控制器,设计了角速度镇定、俯仰角镇定、滚动角镇定、俯仰角收敛至π/2、偏航角镇定和三轴稳定六个分段控制器,通过控制器间的逐个切换控制,将状态微分方程中的状态变量逐渐收敛至零,实现欠驱动姿态控制系统的渐进稳定。数学仿真验证了所设计控制算法的有效性。该控制器设计简单,便于工程实现,选取适当的参数后可保证系统状态变量的渐近稳定性。