空间绕飞任务中航天器姿态跟踪的鲁棒控制

研究了空间绕飞任务中从航天器对主航天器进行观测时的姿态跟踪控制问题,提出了综合考虑挠性、外部扰动和参数不确定性等因素的输入饱和鲁棒控制器设计方法。根据主、从航天器的质心相对运动信息,解算出了从航天器的期望跟踪姿态。为保证从航天器跟踪期望姿态时控制器的有界性和强鲁棒性,将文献中已有的一种一阶滑模姿态调节控制器推广到了姿态跟踪的情况。进一步,为消除一阶滑模控制的高频抖振问题,将姿态跟踪问题转化成了标准的二阶滑模控制问题,提出了一种连续的二阶滑模姿态跟踪控制器。仿真结果表明,本文算法能有效实现绕飞过程中的姿态跟踪,同时具有强鲁棒性。     

服务航天器超近程逼近目标的相对姿轨耦合控制

针对服务航天器超近程逼近目标的相对姿态轨道耦合控制问题,推导了耦合动力学模型并设计了相应控制律。通过引入描述相对运动构型变化的期望相对位置矢量和位置误差矢量,将相对轨道跟踪控制问题转化为调节器的设计问题。推导了考虑对接机构安装位置的相对姿态轨道耦合动力学模型。利用李雅普诺夫稳定性理论,设计了考虑未知有界干扰的相对姿态轨道耦合控制律。考虑控制输入受限进行数学仿真,结果表明所设计的控制律是有效的,并具有较好的性能。     

基于一致性算法的卫星编队姿轨耦合的协同控制

针对卫星编队一主多从结构的相对轨迹、姿态的协同控制问题,提出了一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略。该控制策略将分布式控制思想引入卫星编队飞行的相对轨迹、姿态的动力学系统中,使各从星保持编队构型的同时沿期望轨迹相对主星绕飞。从理论上证明了系统的渐近稳定以及对外部干扰的抑制,并基于一致性算法理论定量地分析了通信拓扑结构为有向图情况下控制器参数的选择范围。此外,利用星星间的相对位置信息确定各从星的期望姿态和角速度,以确保对卫星编队进行姿态协同控制,达到跟踪同步的目的。最后将提出的算法应用于卫星三角形编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有潜在的应用前景。     

小卫星模型独立大角度姿态机动半实物仿真

提出了仅用反作用轮的小卫星姿态大角度机动控制算法，针对反作用轮输出力矩受限和速率饱和的为束，采用递阶饱和思想使星体沿欧拉轴逐步逼近目标位置．文中设计的快速机动控制器，无需知道系统精确模型，即可实现卫星任意时刻的姿态捕获和机动控制，并采用dSPACE实时仿真系统、反作用飞轮实物、先纤陀螺实物和星载机，在单轴气浮台上进行了半实物仿真验证．仿真结果表明，在系统模型不确定时，设计的控制算法能够实现快速姿态机动任务，有良好的鲁棒性。     

具有预设性能的近距离星间相对姿轨耦合控制

针对存在系统不确定性和外界干扰的接近绕飞阶段跟踪航天器相对目标航天器的姿态与轨道一体化控制任务,设计了一种具有预设性能的鲁棒反演控制器。该控制器能预先设计系统的稳态与暂态性能,保证相对姿轨跟踪误差满足预先设计的性能指标要求;为避免传统反演控制方法中存在的“微分膨胀”问题,引入滑模微分器对虚拟控制量的导数进行估计;同时利用自适应控制技术估计不确定模型参数及包含滑模微分器估计误差和外界干扰的集总干扰上界,并引入鲁棒补偿项处理这些不确定性带来的影响。理论分析证明所设计的控制方法能保证相对姿轨跟踪误差满足预设性能指标要求,仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。     

临近空间飞行器再入段复合控制律设计

针对临近空间飞行器再入段的异构复合控制问题,提出了适合该类飞行器气动舵和反作用控制系统 的复合控制模式及其构型,并设计了相应的异构复合控制律。在此基础上完成了适合高空段的指令型控制器设 计和适合中空段的力矩型控制器设计,指令型控制器实现了高空段姿态的快速与平稳响应控制,力矩型控制器实 现了中空段姿态的精确跟踪与强干扰抑制控制。仿真表明所提方法的姿态角与舵偏角动态响应平稳,组合拉偏 下的跟踪误差小于０．５°,超调小于５％,满足临近空间飞行器姿态复合控制的工程设计要求。     

基于观测器的四旋翼容错控制及仿真研究

针对四旋翼飞行器执行器故障的问题,提出7一种基于自适应观测器的积分反演滑模容错控制策略,以保证飞行器的安全性和可靠性.建立考虑执行器故障的四旋翼飞行器动力学模型;设计一种自适应故障估计观测器用来观测系统的状态和估计故障信息;采用积分反演和滑模控制相结合的方法分别设计姿态容错控制器和位置控制器,完成姿态和位置的轨迹跟踪....     

变后掠翼航弹最优弹道自适应滑模跟踪控制

根据变后掠翼航弹在预定弹翼构型下对最优方案弹道跟踪的精确性和鲁棒性要求,设计了一种轨迹姿态双回路自适应滑模控制器。外环轨迹跟踪回路以位置偏差为参考输入,得到方案攻角参考指令,同时基于Lyapunov稳定性理论给出外环滑模收敛的充分条件;内环姿态跟踪回路则设计了参数自适应律,抑制由后掠角引起的时变参数摄动,同时生成舵偏控制指令,以实现对姿态的跟踪控制。仿真对比结果表明,该自适应滑模控制器在有效消除参数不确定性影响的同时保证了变后掠翼航弹在弹翼预定作动时对最优方案弹道跟踪的稳定性,并且消除了常规滑模控制的抖振现象。     

含有通信时滞的多航天器SO(3)姿态协同控制

针对多航天器系统姿态协同问题,提出了存在通信时滞情形下基于特殊正交群SO(3)的协同控制设计方法。采用SO(3)对姿态进行统一描述,并结合有向通信拓扑对协同控制系统进行建模。在此基础上设计了旋转矩阵形式的协同指令,定义SO(3)上的协同误差以构造协同控制器。引入补偿滤波器对系统的时滞状态进行补偿,从理论上对设计的SO(3)协同控制器进行了稳定性分析和证明,保证了对指令信号的有效跟踪,从而实现航天器之间的姿态协同。通过仿真对所提方法进行了验证,仿真结果表明,所提出的基于SO(3)的姿态协同控制方法是可行、有效的。     

任意初始状态下迭代学习控制的频域分析

针对广义受控对象G(s) ,提出了一种迭代学习控制器在频域中设计的思想 ,给出了在任意初始状态下迭代学习控制算法收敛的充分条件 ,证明了经过逐次迭代后系统实际输出信号对期望输出信号的逼近特性 ,输出跟踪误差将一致有界 ,且与期望状态及期望输入无关。进一步讨论了反馈控制在迭代学习控制器中的作用。仿真结果表明了该算法的有效性。     

基于NTSM的航天器特征点凝视跟踪控制

针对航天器特征点凝视以及随动跟飞问题,提出了一种建立在目标特征点指向(feature point directing, FPD)坐标系下的相对运动动力学模型,并基于非奇异终端滑模方法(nonsingular terminal sliding mode, NTSM)实现了航天器的相对姿轨耦合控制。首先,以凝视跟踪的目标特征点为原点,跟踪指向轴为主轴,建立了FPD坐标系下的特征点相对运动模型,该模型在控制过程中可以保持特征点相对运动期望状态稳定不变,从而降低了末端约束的处理难度。其次,基于NTSM方法设计了一种有限时间控制律,并对其稳定性和滑模到达时间进行了分析,理论证明了该控制律满足Lyapunov稳定性条件,且系统能在有限时间内迅速收敛到平衡状态。最后,仿真结果表明FPD坐标系下的特征点相对运动模型以及NTSM控制律在求解特征点凝视跟踪问题上具有良好的性能和普适性,研究成果对空间在轨维护、空间操控以及深空小天体悬停着陆等具有一定的理论参考价值。     

基于扩张观测器的输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制

针对速度不可测和输入受限的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和外界干扰未知的情况,提出一种输入受限四旋翼飞行器轨迹跟踪动态面输出反馈控制方法。该方法首先设计非线性扩张状态观测器估计飞行器系统的速度和广义扰动,然后结合反演法和动态面技术设计动态面轨迹跟踪控制律,以降低控制算法的复杂性,同时引入双曲正切函数解决控制输入饱和问题,并构造辅助方程降低饱和效应,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界。以大疆M100飞行器为目标进行控制仿真,结果表明,所设计的输出反馈控制器能够有效地处理飞行器系统控制输入受限、速度不可测和未知干扰问题,实现飞行器精确轨迹跟踪控制。     

基于积分反步法的四旋翼滑模轨迹跟踪算法

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程易受外界未知干扰而引起跟踪误差的问题,设计了基于积分反步法的滑模位置控制器。在该控制系统中,位置回路采用滑模积分反步法(sliding mode integral backstepping, IBS-SMC)非线性控制方法,姿态回路采用经典比例积分微分(proportion integration differentiation,PID)控制方法。通过仿真对PID、线性二次型调节器、IBS-SMC进行了比较。仿真结果表明与传统方法相比,IBS-SMC法具有更好的抗干扰能力与控制精度。最后通过飞行实验,检验了控制算法可行性。实验结果表明,所设计的IBS-SMC是一种符合工程实际的控制方法。     

基于改进ESO的四旋翼姿态自抗扰控制器设计

针对四旋翼无人机姿态自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)系统在姿态角测量反馈信号受传感器噪声污染时, 基于传统非线性非光滑fal函数的扩张状态观测器(extended state observer, ESO)观测精度不足的问题, 构建了一种新型非线性光滑galn函数以重新设计ESO, 并利用Matlab/Simulink仿真软件进行性能验证。仿真结果表明: 与传统fal函数相比, 本文构建的galn函数为光滑且具有更好的收敛性, 更能体现“大误差小增益”的工程思想; 基于galn函数设计的改进型ESO具有更强的误差跟随能力; 采用改进型ESO设计的四旋翼姿态ADRC系统具有更好的跟踪能力和抗干扰能力。     

基于运动补偿的小型无人机云台控制器设计方法

云台安装的摄像机可用于基于视觉的小型无人机目标跟踪与定位。分析了无人机平移和旋转运动对目标在图像平面成像的影响,推导了机体角速度与云台姿态角速度转换矩阵,设计基于运动补偿的云台控制器将无人机速度和机体角速度引入云台控制器输入,补偿因无人机运动引起的摄像机视线改变,并利用目标在图像平面的位置偏差修正摄像机跟踪误差。仿真实验表明所设计的云台控制器可提高目标跟踪精度,减少云台抖动。     

基于串级LADRC设计的旋翼无人机航迹跟踪控制

针对复杂环境下,四旋翼无人机航迹跟踪精度易受风扰的影响,设计了串级线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)双回路控制系统。外环为位置回路,针对风扰采用3阶LADRC设计;内环为姿态回路,针对执行机构的动态特性,采用4阶LADRC设计。仿真对比串级LADRC和串级PID两种控制方法,结果表明,两种方法虽然都实现了四旋翼无人机航迹跟踪控制,但是在各种复杂风场扰动、内扰作用的情况下,串级LADRC能够克服复杂扰动的影响,精度更高、抗扰性更好、鲁棒性更强,且待整定参数不多,十分符合工程实际的需求。     

空间电磁对接轨迹跟踪的自适应控制

面向在轨服务的空间电磁对接技术能克服传统基于推力器对接所固有的不足,应用前景广阔。航天器对接是一个相对距离逐渐减小的过程,应用于控制器设计的解析远场电磁力模型具有强非线性,且模型误差随相对距离的减小而逐渐增大。基于Lyapunov稳定性理论开展空间电磁对接轨迹跟踪控制器的自适应设计,通过控制参数在线修正以消除模型的不确定性以及外界干扰的影响;开展控制参数整定分析,证明了自适应控制策略的渐近稳定性。理论分析及仿真结果表明,空间电磁对接的自适应控制策略是可行的,并且具有渐近稳定性。