航天器大角度姿态快速机动控制器参数优化设计

针对许多空间任务对航天器大角度快速机动能力提出要求的问题,研究了控制器的参数优化设计。基于一类采用四元数描述的大角度姿态快速机动Lyapunov控制器模型,以设计参数为优化变量,时间最优为优化目标,执行机构输出力矩为约束条件,建立了大角度姿态快速机动控制器优化模型。使用混合遗传算法对控制器参数进行了优化设计。仿真结果表明,经优化处理的控制器参数可在满足输出力矩约束条件下有效缩短机动时间。该方法对控制器参数的选择不依赖于设计者的经验,实施起来简单有效。     

挠性航天器大角度姿态机动路径规划

针对挠性航天器大角度姿态快速机动快速稳定的控制要求,通过分析挠性航天器姿态动力学特性,提出了一种基于抛物线型角加速度曲线的三段式机动路径规划算法.该算法考虑了机动过程中对最大角加速度与最大角速度限制,充分发挥执行机构的功能来提高系统的快速性,并使角加速度平滑变化以减小帆板的振动.该路径规划方法简单,适于在轨实现.仿真结...     

航天器大角度姿态机动的自适应滑模控制

针对航天器大角度姿态机动过程中的严重非线性、航天器惯量的不确定性及外界干扰,提出了自适应滑模控制律.利用修正罗德里格参数建立航天器的数学模型,能克服欧拉角的奇异性和四元数约束条件的限制.选择一类滑模面,基于Lyapunov函数方法推导出控制律和自适应律,使控制律完全独立于对象的参数.理论分析及仿真结果表明,该控制律对航天器惯量不确定性和外界干扰有较强的鲁棒性,并且是全局渐近稳定的.     

考虑不确定性的航天器姿态滑模控制器设计

为解决航天器姿态控制中考虑非主轴惯量不确定性和外干扰的问题,设计了滑模控制器组成的鲁棒控制系统来处理系统中的参数不确定性及外干扰项的影响,并在滑模控制器的到达运动控制律设计中引入一个滞后因子来减小系统所需的最大控制力矩,从而节省航天器的控制成本.仿真结果验证了所设计控制器的性能,同时验证了控制律中的符号函数对于抑制抖振现象,提高控制精度的作用.     

先进上面级快速机动轨道优化设计

根据先进上面级的推力特点和任务需求,将快速机动轨道优化问题转化为有限推力下时间最优轨道机动问题。首先建立脉冲推力下的多约束时间最优优化模型,然后利用改进的微分进化法求解全局最优解。其次建立有限推力下的修正模型,对脉冲推力的优化结果进行修正,最终得到有限推力下时间最优轨道机动问题的解。通过快速轨道交会仿真验证了模型和算法的合理性,所得终端位置误差为1 km量级,在容许范围内,可通过末端轨道调整进一步修正。理论分析和仿真结果表明:结合脉冲变轨和有限推力修正的模型能更准确描述轨道机动的实际情况,采用的改进微分进化算法收敛速度快,稳定性好,对初值无明显要求。     

柔性航天器快速机动过程主动振动与姿态控制方法研究

针对柔性航天器挠性附件振动与姿态机动耦合降低控制精度的问题,给出了一种混合分力合成主动振动控制方法,给出了若干定理并进行了理论证明.其次,系统参数波动及随机干扰因素不可忽略,对经典滑模控制器进行优化,形成一种新型自适应-滑模变结构控制器.为应对控制力矩抖振和系统参数鲁棒性差等缺点,引入新型滑模边界层和力矩更新率.最后,提出了将混合分力合成方法与姿态控制相结合的策略.借助压电智能材料实现两者的联合应用.仿真结果表明,改进的滑模变结构控制器可有效降低参数变动及外干扰影响,结合混合分力合成方法后,柔性附件残余振动得到了明显的控制,进一步提高了姿态精度.     

双参数控制器的H~∞优化设计

本文提出的设计方案通过参数化可以使系统的鲁棒性设计与系统的动静态特性设计相互独立．     

航天器混沌姿态运动研究进展

综述了航天器混沌姿态运动的研究进展,分别总结了几类呈现混沌性态的单体和多体航天器的力学模型和数学模型,以及混沌的解析预测和数值识别,并展望了研究工作的发展前景     

基于免疫算法PID控制器参数的优化设计

根据生物免疫系统的特性,提出一种基于免疫进化计算PID控制器参数的优化设计算法。免疫进化算法引入记忆细胞的抗体浓度调节机制,具有种群的多样性,能确保快速稳定地收敛到全局的最优点。仿真实验表明该算法简便有效。     

航天器姿态机动的敏捷性评估

利用最优控制提高传统卫星的敏捷性收益巨大,但风险并存,为了量化敏捷性的改善程度,评估不同航天器的敏捷性,该文提出了一种评估方法。首先,对航天器传统机动和时间最优机动进行了分析。其次,以姿态机动的时间为中间量,构建了近似角加速度包络和等效敏捷包络。然后,引入了敏捷因子和敏捷性曲线的概念,对姿态机动的敏捷性进行定量评估。最后,给出了仿真算例验证方法的可靠性。仿真结果与前人的研究相印证,准确地预估了航天器的平均机动时间。结果表明:该方法可以定量地评估航天器的敏捷性,广泛适合于有角速度、角加速度等各种约束的情况。     

误差受限的航天器姿态跟踪控制

该文简要介绍了航天器姿态控制的基本理论.利用李雅普诺夫稳定性理论,设计了一种误差受限航天器姿态跟踪控制器.并就跟踪任务进行了数字仿真,通过与基本控制器的对比,验证了误差始终处于给定限制范围内,证明了方案和控制器的可行性.     

基于智能算法的PID控制器参数优化设计的应用研究

本文简单介绍了遗传算法和蚁群算法的基本原理,并且将这两种算法应用到了PID控制的参数优化问题上,给出了两种算法的实现步骤。说明了智能算法是一种效率很高的寻优方法,是PID参数优化的理想方法。     

用GPS输出反馈实现大角度姿态状态跟踪控制

本文首次讨论并给出了利用星上GPS输出反馈,来实现卫星大角度姿态机动的自主非线性状态跟踪控制系统的设计.其中包括非线性状态反馈控制器的设计以及利用星上GPS伪距测量输出信息,采用修改的罗格里德参数描述姿态状态方程,实现星上实时状态跟踪控制的非线性估计器的设计.文中以EO-1/LandSat7卫星编队飞行为背景,给出了姿态测量信息的获取、姿态状态估计和实时跟踪控制的数学仿真结果,验证了控制系统设计的可行性和正确性,精度指标满足要求.     

航天器姿态和振动的拉索控制模型

在工程中,航天器的姿态控制和柔性部件振动控制一般采用分开设计和分时段执行,这样增加了航天器的控制时间。该文采用拉索结构作为控制作动器,用模态叠加法对航天结构模型进行刚柔耦合建模,并用线性二次型最优控制方法设计一个控制算法,对航天器姿态及其柔性部件同时进行控制。仿真结果显示,航天结构在各种激励下产生的姿态漂移和柔性附件振动同时得到了快速稳定的抑制。针对拉索控制的特点,分析了拉索的支座反力对控制系统的影响。结果表明,在结构建模中如果不考虑支座反力,将会导致控制系统不稳定。     

一种太阳帆航天器姿态机动控制方法

针对太阳帆航天器挠性模态易激发但难测量的问题,该文研究以控制杆作为执行机构的太阳帆航天器姿态控制。基于控制杆的动力学分析建立了太阳帆俯仰轴刚柔耦合模型。提出了1种姿态机动路径柔化与可测刚体姿态信息反馈控制相结合的太阳帆姿态控制方法。设计了比例积分型状态误差反馈律,并给出了使系统刚体姿态与挠性模态均渐近稳定的充分条件。仿真结果表明,所提控制方法能较好地满足太阳帆姿态调整的快速性与准确性要求。     

基于轨迹跟踪的航天器姿态自适应鲁棒控制

针对存在不确定惯量和空间环境干扰的挠性航天器姿态大角度快速机动控制问题,提出了一种受细胞膜放电模型启发的自适应鲁棒姿态控制器设计方法.首先,为了快速完成姿态机动任务,并尽可能少激发挠性帆板振动,在挠性航天器运动学和动力学分析的基础上,提出了基于预先规划姿态运动轨迹且对不确定惯量具有自适应能力的自适应鲁棒控制器.在此基础上,为了改善机动过程中姿态跳变使系统指向精度和稳定度变差的问题,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进型自适应鲁棒控制器.所提出的控制器能够保证闭环系统渐进稳定;当惯量估计误差有界时,对于任意初始跟踪误差,该控制器可以保证姿态跟踪误差一致终值有界.仿真结果表明了所提出的改进型自适应鲁棒控制器的有效性.     

基于ESN网络的航天器姿态跟踪鲁棒控制

为了研究具有外部干扰力矩和模型不确定性的多体航天器姿态快速跟踪控制问题,基于逆系统方法和回声状态网络(echo state network, ESN), 设计了鲁棒控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的渐近稳定性.采用"meta-learning"策略离线训练ESN网络,并应用遗传算法优化其主要参数,解决了动态递归神经网络训练困难及网络参数不易确定的问题.控制器的设计过程相对简单,不需要精确的动力学模型.该文还针对航天器中心体与天线同时跟踪不同目标的任务进行了数值仿真,结果表明所设计的鲁棒控制器对外部干扰与模型不确定具有很好的鲁棒性.     

低轨道航天器姿态跟踪机动控制研究

某些低轨道航天器在执行任务时 ,需要通过姿态控制系统使其有效载荷 (如星载相机 )在一段时间里连续指向地面或空间的给定目标。文中研究了带 3个反作用飞轮的低轨道航天器的姿态跟踪开展问题。首先根据刚体运动学知识推导出航天器的参考姿态角、参考角速度和参考角加速度表达式 ,然后基于卫星航天器姿态动力学给出了 3个互相垂直安装的反作用飞轮的控制律 ,并利用 L yapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性。最后通过数值仿真计算验证了控制算法的正确性     

挠性航天器姿态机动路径设计及最优控制

针对在轨挠性航天器姿态机动控制问题,提出了一种基于路径规划、线性二次型最优控制(LQR)和扩张状态观测器(ESO)新的姿态控制方法.在建立单轴挠性航天器姿态动力学系统状态方程的基础上,针对姿态机动易造成挠性附件大幅振动的问题,提出了一种余弦型角速度曲线的姿态机动路径规划方法,可应用于初速非零的情况.针对姿态角速度和挠性模态的变化率不易测得以及系统中受到持续时变干扰的问题,构建ESO对系统状态量和干扰进行估计,并与LQR控制相结合,设计了具有自抗扰能力的姿态控制器.仿真结果验证了所提控制方法的有效性.     

多模块航天器转移轨道优化设计

轨道动力学是适用于全局优化的众多应用领域之一。着眼于分布式航天器转移轨道优化,提出了所有航天器模块连续地从停泊轨道转移到目标轨道,并同时保持相对位置的方案。最优控制问题已经确定。性能指标的选取标准是在有限的燃料下将总体轨道转移时间降到最低。总体轨道转移时间是包括消除航天器之间在停泊轨道上的相位差耗费时间和所有模块长距离轨道转移时间之和。当选取位置和速度作为状态时,最优问题就是一个非常复杂的最优控制问题。然而,通过给出合适的常值状态参量,上述问题就会转变成静态参数最优问题。最终采用基于Matlab优化工具拟牛顿方法的最优化算法解决了这个参数最优化问题。当初始估计良好的情况下该最优化算法能够迅速收敛。另一方面,轨道动力学推力假设能够获得最初估计值。仿真结果证明了多模块航天器的轨道设计策略是实用的,同时证明该最优化算法是有效的。