基于Simulink/Stateflow的小卫星姿态控制模块设计一仿研究

针对小卫星在轨自主运行的需要,对其姿态控制模块进行设计与仿真研究,其中使用修正罗德里格参数描述卫星姿态运动并进行姿态控制律设计,使用Stateflow设计了六种姿态控制模式及其转换逻辑并结合Simulink搭建了姿态控制仿真系统.根据对地定向模式、目标指向模式、闲置模式的时序指令进行了姿态控制仿真分析,三种模式下姿态均收敛,说明了姿态控制律设计和姿态控制模式之间转换逻辑设计的正确性.     

基于干扰观测器的卫星姿态误差四元数模糊滑模控制

针对刚体卫星的姿态控制问题,提出了一种基于干扰观测器的误差四元数模糊滑模控制方法.首先研究了由误差四元数和误差角速度描述的卫星动力学方程和运动学方程,避免了卫星姿态控制中最终姿态表示的非单值性问题.然后,根据卫星姿态控制系统的数学模型,利用Lyapunov方法设计了滑模控制律,并采用干扰观测器对外界干扰进行估计补偿.为克服滑模控制中存在的抖振,设计了基于干扰观测器的模糊滑模控制器.对卫星姿态控制的仿真结果表明,在外界干扰存在的条件下,设计的控制律能有效地实现卫星姿态控制,避免了传统滑模控制的抖振问题,具有良好的鲁棒性.     

小卫星轨道姿态控制系统仿真软件平台

提出了微小卫星轨道姿态控制系统仿真平台的设计思想,并将卫星轨道、姿态动力学与计算机图形学相结合,设计了基于三维实时动态显示技术的轨道姿态控制系统仿真软件平台,其中包括数据管理与分析、动力学计算、星上姿控程序接口和仿真结果的三维输出。平台用于卫星编队飞行的轨道设计和星上姿态控制程序的地面测试,可以动态仿真演示卫星在发射、测控和应用中的轨道和姿态运动。     

基于滑模观测器的卫星姿态控制系统滑模容错控制

针对卫星姿态控制系统执行机构故障,设计了基于滑模观测器的滑模容错控制律.采用迭代学习算法在线调节观测器滑模项切换增益,设计滑模观测器估计卫星姿态和角速度.在此基础上,将执行机构故障作为系统的未知动态,提出一种对卫星姿态控制系统执行机构故障不敏感的滑模容错控制方法.该方法利用系统输入和状态信息,结合动力学特性实现未知动态估计,以此设计滑模控制律.通过数字仿真验证了该容错控制方法的有效性.     

基于一次转动参数的卫星姿态控制

针对刚体姿态控制系统,本文提出了一种新的运动学模型。该模型使用了Euler轴和一次转角之积。相比其它的3变量刚体姿态运动学模型,该模型具有较少的奇异点和较大的状态空间范围,且更适合于对性能有定量要求的系统的控制律设计。本文将该模型用于不确定时变卫星姿态控制系统中,理论和仿真结果表明基于此模型利用反步法得到的控制律完全满足了性能要求。     

基于磁力矩器的微小卫星滑模变结构控制

根据BUAASAT微小卫星的姿态控制要求,提出了基于磁力矩器的滑模变结构控制方法,实现了微小卫星三轴姿态稳定。首先根据卫星模型设计滑模变结构控制律,然后结合磁力矩产生的原理设计实际控制力矩,最后进行算法仿真。仿真表明,利用磁力矩器实现微小卫星变结构控制,抗干扰能力强,磁力矩器最大磁矩小,有利于降低成本,提高控制精度。     

基于磁力矩器的微小卫星滑模变结构控制

根据BUAASAT微小卫星的姿态控制要求,提出了基于磁力矩器的滑模变结构控制方法,实现了微小卫星三轴姿态稳定。首先根据卫星模型设计滑模变结构控制律,然后结合磁力矩产生的原理设计实际控制力矩,最后进行算法仿真。仿真表明,利用磁力矩器实现微小卫星变结构控制,抗干扰能力强,磁力矩器最大磁矩小,有利于降低成本,提高控制精度。     

挠性多体卫星姿态动力学与控制

三轴稳定卫星挠性附件的弹性振动和刚性部件的转动与卫星的姿态运动构成耦合的强非线性系统,因此须设计有效的控制律。该文研究了采用反作用飞轮作为执行机构、带有柔性附件和刚性转动部件的整星零动量三轴稳定卫星的姿态解耦控制问题。导出了卫星的多体系统动力学方程,并给出了部分线性化的形式。进一步利用反馈线性化方法将非线性耦合系统解耦,然后对线性化的系统模型进行状态反馈解耦和极点配置。数值仿真结果表明,该文所设计的控制方法具有很高的姿态控制精度和稳定度。     

卫星编队飞行指向跟踪姿态控制

卫星编队飞行的应用之一是受控卫星在目标卫星、空间站、载人飞船周围以“编队飞行”的形式相伴飞行,对目标进行观测或者执行更多的操作。该文研究这种应用中的姿态控制问题。假设两个飞行器的轨道信息已知,由轨道信息确定实现姿态跟踪调节所需的一种可能的期望姿态,给出了解析表达式,包括姿态角、姿态角速度及角加速度。采用基于四元数的控制律,用3个动量轮实现了卫星长时间、大角度姿态跟踪机动。仿真结果显示,在超过一个周期的仿真时间内,姿态及姿态角速度与期望姿态的吻合程度比较好,而且力矩的花费也不是太大。     

基于多层前馈网络的卫星姿态控制器

卫星姿态动力学系统与其线性化模型之间的误差会影响姿态控制的精度。应用多层前馈网络对该误差进行建模,并基于此模型和线性系统理论设计了一种新型的卫星姿态控制器,该控制器实现了卫星三轴解耦控制,并使卫星姿态动力系统与其线性化模型的响应误差在最小二乘准则意义下最小。仿真结果表明在俯仰角、滚动角和偏航角机动量均为0.01rad情况下,控制器能够提供较高的控制精度。     

轨控期间挠性卫星的姿态容错控制及主动振动抑制

针对受轨道控制推力影响及存在执行器故障的挠性卫星,提出了一种基于自适应滑模的姿态容错控制及挠性振动抑制方法.该容错控制方法不需要故障信息,而是基于滑模控制原理,利用自适应算法能够对故障系统中的不确定参数信息实现有效估计,并且在保证姿态稳定的同时,对来自环境和系统内部的扰动及转动惯量的不确定性具有良好的鲁棒性,从而提高了容错控制器的性能.进一步在姿态稳定的基础上,利用精确鲁棒微分器理论,针对挠性模态中的非线性项和扰动项设计了非线性状态观测器,并结合自适应控制和滑模控制方法实现了对挠性振动的有效抑制.最后,在反作用飞轮冗余配置的前提下,对轨道调控期间具有执行器故障的卫星姿态控制系统进行了仿真.结果表明,该方法有效正确.     

推力器姿轨同时控制下的姿态控制算法

针对推力器安装误差对卫星姿态控制产生强干扰的问题, 设计一种紧凑卫星推进系统的姿态控制算法. 采用对控制力矩和干扰力矩建模的方法对姿态控制影响进行分析, 得到最差情况下的推力器安装误差角组合. 通过计算机仿真实验, 对比了不同安装误差角下三轴的控制结果. 实验结果表明, 轨道机动模式下姿态控制算法具备包络最差情况的能力, 控制结果稳定, 满足精度要求.     

基于滑模控制的挠性卫星的自学习模糊控制

将基于滑模控制的自学习模糊控制应用于挠性卫星的姿态稳定控制中.给出了姿态控制系统的设计方法.自学习控制算法利用滑模控制原理和模糊性能判决表在线修改模糊控制器的规则参数.为了解决传统自组织模糊控制对外界信号敏感的问题,基于滑模控制的自学习算法同时考虑了误差状态矢量及其变化趋势,增强了系统的鲁棒性.与传统自组织模糊控制相比,仿真实验结果表明,该控制方法对卫星参数变化不敏感,能有效地抑制卫星的外界干扰及挠性附件的振动,使卫星的姿态角得到准确的控制.     

具有输入饱和及多不确定性的挠性卫星姿态控制

研究了存在控制输入饱和约束、内外部干扰及质量特性参数不确定性的挠性卫星姿态鲁棒控制器设计问题.通过近似线性化结合等价坐标变换的方法得到了挠性卫星系统相应的状态空间描述,并以此为基础,采用理论分析结合数值仿真的手段设计出满足控制输入饱和约束并适应两类不确定性的姿态鲁棒控制方法.仿真结果表明,该方法得到的控制器具有较强鲁棒性,能很好地抑制内外部干扰并适应较大范围的质量特性参数不确定性.     

基于导星电子星图模拟器的卫星控制系统半物理试验方法

为了实现卫星的高精度高稳定度控制,中法天文卫星建立了卫星姿轨控半物理仿真试验系统.对该系统采用导星电子星图模拟器引入仿真闭环进行研究.首先,将导星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学为其提供输入信息.接着,高精度测量单机和高精度控制机构引入到闭环中.然后,粗测量敏感器和粗控执行机构由数学模型替代.最后,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、载荷计算机和整星电源系统组成了实时仿真验证系统.实验结果表明:在地面半物理条件下,可以达到导星进入开小窗条件,y、z轴稳定度达到2(″)/10 s及5(″)/100 s.导星敏感器可以提高姿态测量精度和姿态控制的稳定度.满足控制稳定度在亚角秒级别卫星的要求.     

四旋翼姿态的反步滑模自抗扰控制及稳定性

为了解决四旋翼无人机姿态控制中存在的问题,设计了一种基于反步滑模自抗扰姿态控制器.首先,介绍了四旋翼无人机的动力学模型,建立了基于反步滑模自抗扰控制算法的姿态控制方案.控制方案构成主要包括扩张状态观测器及基于Lyapunov稳定性分析的反步滑模控制器.稳定性分析表明,通过合理调整参数可以保证控制系统是渐近稳定的.仿真结果表明,所设计的控制器同经典自抗扰控制器相比,对扰动有较强的抑制能力,提高了自适应性和鲁棒性,表明该控制系统具有更好的稳定性和动态性能,对四旋翼姿态控制更加有效.     

基于干扰观测器的小卫星自适应积分滑模姿态控制

针对飞轮摩擦力矩和外界干扰力矩对小卫星姿态控制精度的影响,设计了一种自适应积分滑模控制器。首先通过设计干扰观测器来补偿飞轮摩擦力矩,并给出了干扰观测器能稳定工作的条件。针对滑模控制器存在的抖振问题,通过对切换增益设计自适应律来减弱抖振,然后基于干扰观测器和自适应律设计了自适应积分滑模控制器,理论证明了该控制器的稳定性。最后通过对小卫星姿态控制进行数字仿真,在控制器作用下,小卫星实现了 0.001°的控制精度,同时具有较小的抖振幅度,证明了所设计控制器的优越性。