一种质量矩飞行器配置方案及其控制问题分析

针对大气层外三轴稳定质量矩飞行器,考虑降低飞行器的成本和重量,提出了应用两套执行机构的配置方案,并利用旋转电机代替直线电机作为执行机构来实现飞行器的姿态调整。在此基础上,利用动量矩定律,建立了飞行器的非线性动力学模型,并对两种执行机构在无推力情况下的姿态调整能力进行了比较,结果表明,旋转式执行机构提高了质量矩飞行器在无推力作用情况下的姿态调整能力。最后,分析了该质量矩飞行器配置方案所存在的控制问题,为下一步的姿态控制设计奠定了基础。     

基于气浮台的交会对接相对姿态和位置控制

基于交会对接地面物理仿真系统对卫星交会对接中相对姿态和位置的控制问题进行研究,根据地面物理仿真系统的结构推导出描述系统姿态和位置运动的耦合六自由度动力学模型;基于此模型,在存在外部扰动的情况下,采用自适应快速非奇异终端滑模控制思想设计一种能够克服传统终端滑模控制奇异问题的鲁棒有限时间控制器。通过李雅普诺夫理论推导和仿真分析表明,该控制器在保证系统的有限时间稳定性和收敛性的同时能有效地抑制外部扰动。     

面向摆动喷管的导弹非线性姿态控制

针对采用摆动喷管作为执行机构的导弹姿态控制系统,研究了导弹初始垂直发射过程中三通道姿态耦合控制问题。详细推导了采用摆动喷管的导弹的姿态动力学模型,并与欧拉角描述的导弹姿态运动学模型结合,基于动态面控制技术,在考虑系统中气动参数不确定性情况下设计了一个新的动态面自适应滑模控制器,并应用Lyapunov方法给出了严格的稳定性证明。为避免控制设计中的抖振问题,控制器中的符号函数用饱和函数来代替。数值仿真分析验证了所提出的控制方法的有效性。     

动量轮控制弹头姿态控制系统设计

提出了一种以动量轮为执行机构的具有中性静稳定气动布局的再入弹头姿态控制新方案。基于动量矩交换原理和中性静稳定概念分析了新方案的可行性,并推导了具有这种新型执行机构的弹头的姿态动力学方程。利用反馈线性化方法,将姿态动力学方程线性化并解耦成俯仰、偏航和滚转三个方向上的单输入单输出系统,然后运用滑模变构控制理论设计各通道的控制器。对姿态控制系统的数值仿真结果表明,所设设计的控制器能实现高精度的姿态机动和姿态稳定,现有动量轮技术指标即可满足滚动通道的姿态稳定。     

卫星姿态系统的抗干扰完整性容错控制

研究了一种线性不确定系统的完整性容错控制问题。针对卫星姿态系统中的执行机构完全失效故障,采用4个反作用飞轮结构进行姿态控制,利用Riccati方程和线性矩阵不等式组,提出一种具有抗干扰特性且对执行机构完全失效故障具有完整性的状态反馈容错控制设计方法。在此基础上进一步得出该控制器可以用于更多种故障形式的结论。最后在卫星姿态系统上对此方法进行了数学仿真,结果验证了该方法的正确性和有效性。     

质量矩控制技术的机理分析及方程简化研究

针对质量矩控制技术的动力学问题,提出了质量矩控制导弹的动力学模型,通过对导弹各参数的理论和数值计算分析,对影响导弹快速响应的主要因素在不同的条件下进行研究,分析了质量矩控制方法迅速改变弹体姿态的能力;在自旋速度满足一定的条件下通过对模型参数的摄动分析,得到质量矩控制导弹的简化动力学模型,仿真分析表明该模型是非线性控制系统分析、设计的基础。     

基于GA优化的质量矩拦截弹模糊滑模姿态控制

质量矩控制是一种全新的飞行控制方法,与广泛应用的空气动力控制相比,可以避免飞行器在超高马赫数飞行时舵面的气动加热问题,而且,可以提高飞行器的机动性、敏捷性和制导控制精度。以所建立的质量矩拦截弹数学模型为基础,通过对模型合理的简化,得到一个耦合的非线性动力学系统,利用滑模控制设计了拦截弹飞行时的姿态控制系统,提出采用模糊逻辑算法抑制系统抖振的同时,把控制系统的多个设计目标转化为不等式约束,采用遗传算法优化控制参数,控制系统性能满足设计要求。仿真结果验证了这种方法的有效性。     

基于PI型非线性动态逆的再入飞行控制技术研究

再入飞行器飞行环境复杂,具有大空域、强非线性、强耦合的再入飞行特性,基于小扰动原理的经典线性控制理论难以适应再入控制系统的要求,提出了采用动态逆的非线性再入控制器设计方法,同时在非线性动态逆控制器设计中引入积分环节,以消除由动态逆建模和系统干扰带来的跟踪误差,从而使得系统对姿态进行高精度跟踪。最后,在Matlab/Simulink中进行了仿真验证。仿真结果表明,此控制系统对姿态指令输入有很好的跟踪效果,且具有较强的鲁棒性。     

圆饼卫星三轴姿态控制

利用卫星低轨道两个主要环境力矩 (重力梯度矩和地磁力矩 )对卫星三轴姿态进行控制。卫星的形状为圆饼状 ,用以获得所需的重力梯度矩。卫星上的永久磁棒获取所需的地磁力矩。为了提高卫星的姿态精度 ,沿永久磁铁方向安装一反作用飞轮。对卫星在圆轨道的姿态进行了分析 ,并给出仿真结果。从分析和仿真结果可以看出 ,此卫星具有结构简单、姿态稳定、精度高等优点。     

三轴稳定质量矩拦截器的末制导律设计

针对大气层内的机动飞行目标,提出了一种可用于质量矩拦截器末制导段的比例制导律。通过建立三轴稳定质量矩拦截器的数学模型,得到一个非线性动力系统。考虑到法向过载变化比较灵敏的特点,以姿态角及过载的误差作为指标函数,采用遗传算法对PD控制参数进行寻优设计,建立了滑块位置与过载、姿态角的关系。仿真结果表明,该方法在保证姿态稳定的情况下能有效实现拦截器末段的制导控制,且满足一定的精度要求。     

超低干扰力矩微纳卫星姿控半物理仿真平台

微纳卫星姿控的反作用飞轮输出力矩小,难以克服普通气浮转台的干扰力矩,为了解决上述问题,实现微纳卫星姿控地面半物理仿真验证,必须对干扰力矩进行有效补偿。为此,对干扰力矩分类并分析了各自的特性,针对性提出了干扰力矩主动补偿方法,研制了主动补偿式超低干扰力矩气浮转台,并基于此开发了微纳卫星姿控半物理仿真平台。研制的气浮转台的干扰力矩达到2×10^-5 Nm,小于微纳卫星反作用飞轮的最小输出力矩,利用半物理仿真平台有效地验证了微纳卫星大角度姿态机动控制算法。     

考虑姿态禁忌约束的航天器安全姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪过程中的姿态约束问题,提出了一种基于势函数的安全姿态机动控制算法。与姿态定点机动的姿态约束问题不同,引入误差四元数和误差角速度,建立了航天器姿态跟踪误差模型。采用四元数描述了姿态禁忌区域,并根据禁止姿态最小允许角构造了一种新的规避高斯势函数。利用规避势函数和吸引势函数得到安全姿态机动控制器,对于无扰动和有扰动的情况分别分析了闭环控制系统的Lyapunov稳定性。最后,对于有约束的姿态跟踪情况进行了计算机数值仿真。仿真结果表明,所提出的控制方法既能实现姿态跟踪的目的,又能确保航天器在机动过程中不会进入姿态禁忌区域。     

大型航天器单框架控制力矩陀螺系统全物理仿真

单框架控制力矩陀螺（SGCMG）是一种重要的航天器动量交换装置，用SGCMG作姿控部件的大型航天器姿态控制／动量管理系统是我国未来航天器发展的一个重点研究问题，本文利用三轴全物理仿真气浮台作为控制对象，模拟航天器在外层空间所受扰动力矩很小的力学环境，把SGCMG姿态控制／动量管理系统置于气浮台上，组成与航天器控制系统相同的仿真回中,来研究其动力学，动量交换，动量耦合以及控制系统中尚不清楚的一些问题，实践证明该仿真系统能够很好模拟航天器的力学环境，为SGCMG系统的进一步研究打下了很好的基础。     

航天器非线性鲁棒自适应姿态机动控制律

针对存在未知转动惯量和外部干扰力矩的敏捷航天器快速大角度姿态机动问题,结合非线性反步法和Lyapunovo稳定性分析方法设计控制力矩和转动惯量估计值的非线性鲁棒自适应控制律。在控制力矩控制律中,加入非线性阻尼项对外部干扰力矩进行补偿,证明了系统的全局一致最终有界稳定性。引入非线性动系数增加系统的动态性能,提高了姿态快速机动后的快速稳定能力。在Maltlab/Simulink环境下进行航天器姿态机动控制仿真研究,仿真结果验证了所设计控制器的有效性和可行性。     

横列式双旋翼矢量飞行器的改进ADRC姿态控制算法

横列式双旋翼矢量飞行器具备飞行时间长、风阻小、机动性强等优点, 但其机械结构复杂, 状态之间耦合严重, 抗干扰能力弱。针对其控制特性提出一种基于改进自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)的姿态抗干扰解耦控制算法, 该算法利用扩张状态观测器(extended state observer, ESO)实现姿态干扰和状态间耦合项的跟踪和估计, 将非线性多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统转化成线性单输入单输出(single input single output, SISO)系统, 采用改进的粒子群优化算法(particle swarm optimization, PSO)对姿态控制系统进行参数优化。通过仿真结果验证了该算法具备良好的抗干扰能力,并设计了实际的飞行控制系统, 进行了飞行器的悬停试验, 实现了稳定悬停。     

基于迭代学习-未知输入观测器的卫星姿控系统鲁棒故障重构

针对卫星姿控系统出现执行机构故障,提出一种基于迭代学习-未知输入观测器(iterative learning unknown input observer, IL-UIO)的鲁棒故障重构方法。首先,考虑卫星出现空间干扰力矩、模型不确定性以及陀螺漂移,建立小角度机动时的非线性姿控系统模型。其次,采用UIO干扰解耦原理和H_∞控制思想,设计IL-UIO估计卫星姿态欧拉角和角速度的同时,利用IL算法实现执行机构鲁棒故障重构。并利用Lyapunov稳定性理论证明了IL-UIO稳定性和动态故障偏差最终有界, 通过线性矩阵不等式(linear matrix inequaliry, LMI)工具箱求解了观测器部分参数矩阵。最后,建立卫星闭环姿控系统并进行仿真,仿真结果验证了此方法的有效性。     

滑翔制导炮弹自抗扰姿态解耦控制器设计

针对滑翔制导炮弹姿态控制系统设计时存在的交叉耦合、执行机构响应延迟、控制能力约束以及不确定内外扰动等问题,基于自抗扰控制技术,设计了自抗扰姿态解耦控制器。该控制器结构简单、计算量小、需调控制参数少且不依赖精确的数学模型。通过数值仿真验证了该控制器的可行性和有效性。结果表明设计的姿态控制器能有效地实现俯仰/偏航解耦,并具有快速精确的跟踪性能以及良好的抗干扰能力。此外,控制参数对较大范围内的模型参数摄动不敏感,具备较强的适应性和鲁棒性,可为该类制导炮弹的控制系统设计提供一定的参考依据。     

四旋翼无人机系统PD-ADRC串级控制

针对四旋翼无人机飞行系统欠驱动、非线性、多变量、强耦合等控制难点,设计了串级控制系统。在该控制系统中,外环位置回路采用了经典的比例-微分控制方法,内环姿态回路分别采用线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制两种控制方法进行设计。通过仿真对两种控制方法进行了比较,仿真结果表明,两种控制方法虽然都实现了四旋翼无人机位置控制和姿态角控制,但是线性自抗扰控制更加符合工程实际的需求,对四旋翼无人机而言线性自抗扰控制是一种更有效的控制方法。     

Design and simulation of fault diagnosis based on NUIO/LMI for satellite attitude control systems

This paper presents a scheme of fault diagnosis for flexible satellites during orbit maneuver. The main contribution of the paper is related to the design of the nonlinear input observer which can avoid false alarm arising from the disturbance from orbit control force. The effects of orbit control force on the fault diagnosis system for satellite attitude control systems, including the disturbing torque caused by the misalignments and the model uncertainty caused by the fuel consumed, are discussed, where standard Luenberger observer cannot work well. Then the nonlinear unknown input observer is proposed to decouple faults from disturbance. Besides, a linear matrix inequality approach is adopted to reduce the effect of nonlinear part and model uncertainties on the observer. The numerical and semi-physical simulation demonstrates the effectiveness of the proposed observer for the fault diagnosis system of the satellite during orbit maneuver.     

基于干扰估计的BTT导弹鲁棒方差姿态控制

针对存在非线性和不确定性的倾斜转弯(bank-to-turn, BTT)导弹姿态控制问题,提出基于干扰估计的鲁棒方差控制方法。将姿态运动中非线性项和不确定项作为总干扰,采用干扰观测器进行估计,并引入控制系统进行补偿。干扰观测器的观测误差作为BTT导弹姿态运动的干扰输入,为了保证控制系统具有良好的动态和稳态性能,采用鲁棒方差控制理论设计了线性反馈控制器,将闭环极点配置在特定圆盘区域,同时将状态变量的稳态方差保持在给定的范围内。仿真结果表明,所提出的鲁棒方差姿态控制器能够保证良好的控制效果,鲁棒性强。