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挠性航天器变幅值输入成形姿态机动策略

国防科技大学学报 2022年第1期44卷 68-76页

作者：王杰吴军邹杰国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

针对变参数挠性航天器的姿态机动问题,在变幅值零振动成形器的基础上,提出了鲁棒性较强的变幅值零振动和零微分成形器设计方法,设计了鲁棒姿态机动策略。该机动策略的控制目标是,将航天器机动到期望状态的同时,消除挠性结构的残余振动... 详细信息

针对变参数挠性航天器的姿态机动问题,在变幅值零振动成形器的基础上,提出了鲁棒性较强的变幅值零振动和零微分成形器设计方法,设计了鲁棒姿态机动策略。该机动策略的控制目标是,将航天器机动到期望状态的同时,消除挠性结构的残余振动。以含转动挠性太阳翼的航天器进行三轴姿态机动为例,进行数值仿真。仿真结果表明,该机动策略对挠性结构频率变化以及阻尼系数不确定性具有较强的鲁棒性。

关键词：变参数挠性航天器姿态机动残余振动变幅值输入成形鲁棒性

一种基于PIO改进强化学习的航天器复杂多约束姿态机动规划新方法

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中国科学：技术科学 2023年第2期53卷 200-209页

作者：华冰孙胜刚吴云华陈志明南京航空航天大学航天学院南京210016

本文针对多个姿态约束条件下的航天器姿态机动规划问题进行了研究,提出了一种基于鸽群算法的改进的策略梯度强化学习算法(PIOPGRL).首先,针对强制指向约束和禁止指向约束,建立了基于角度的姿态约束模型,根据约束模型建立了强化学习的回... 详细信息

本文针对多个姿态约束条件下的航天器姿态机动规划问题进行了研究,提出了一种基于鸽群算法的改进的策略梯度强化学习算法(PIOPGRL).首先,针对强制指向约束和禁止指向约束,建立了基于角度的姿态约束模型,根据约束模型建立了强化学习的回报函数.然后,使用适应度函数替代策略评价函数,将鸽群算法与强化学习相融合.针对策略梯度强化学习算法计算量大、收敛速度慢的问题,使用鸽群算法求解策略梯度,极大减少了计算量.仿真结果表明,相比于策略梯度强化学习算法,基于自PIO改进强化学习的航天器姿态机动规划算法(PIOPGRL)在极大减少计算量的同时,有更优的规划结果,更小的机动代价,适用于微小航天器解决多个姿态约束条件下的姿态机动规划问题.

关键词：姿态机动姿态约束路径规划强化学习鸽群算法航天器

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极低频超大型航天器姿态机动与物理试验验证

中国空间科学技术 2022年第1期42卷 57-64页

作者：袁泉林瀚峥张军魏春岭北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术国家级重点实验室北京100190

针对具有0.01 Hz极低频主模态的超大型航天器的姿态机动问题,给出利用经典的Bang-Bang轨迹规划方法、滤波轨迹规划方法和传统的相平面控制方法进行姿态机动的方案,构建了极低频超大型航天器姿态机动地面物理试验系统,对不同的姿态机动... 详细信息

针对具有0.01 Hz极低频主模态的超大型航天器的姿态机动问题,给出利用经典的Bang-Bang轨迹规划方法、滤波轨迹规划方法和传统的相平面控制方法进行姿态机动的方案,构建了极低频超大型航天器姿态机动地面物理试验系统,对不同的姿态机动控制方法进行了试验验证。针对不同的姿态机动轨迹规划方法,采用喷气发动机或控制力矩陀螺作为执行机构,构建了5种超大型航天器姿态机动控制方案,即:姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+喷气发动机,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+喷气发动机,姿态跟踪控制+Bang-Bang轨迹规划+控制力矩陀螺,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺,相平面控制+角速度偏置规划+喷气发动机。利用构建的超大型物理试验系统对上述5种方案进行了试验比较,试验结果表明:机动轨迹对挠性变形的影响超过执行机构的影响,姿态跟踪控制+滤波轨迹规划+控制力矩陀螺方案最优,其变形量相对相平面控制方案能减少约81.8%。

关键词：极低频超大型航天器姿态机动振动抑制滤波

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充液挠性航天器姿态机动终端滑模控制

空间科学学报 2023年第4期43卷 758-767页

作者：吴涛涛宋晓娟吕书锋内蒙古工业大学机械工程学院呼和浩特010051 内蒙古自治区特种服役智能机器人重点实验室呼和浩特010051 内蒙古工业大学理学院呼和浩特010051

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉–伯努利梁,运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确... 详细信息

对存在未知外界干扰、参数不确定问题的刚–液–柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究。将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉–伯努利梁,运用拉格朗日方法建立航天器的动力学方程。将外界干扰、航天器转动惯量的参数不确定性以及液体晃动和挠性附件振动带来的耦合干扰归结为集总干扰,设计干扰观测器对其进行补偿;在干扰观测器的基础上,设计一种模糊滑模控制律。在原有的终端滑模控制基础上采用模糊控制对切换增益进行改进,达到抑制系统抖动的目的。数值仿真结果表明:所设计的模糊终端滑模控制律不仅能够实现充液挠性航天器的姿态机动,而且能够有效抑制液体晃动和挠性附件的振动,具有更好的控制性能。

关键词：刚–液–柔耦合航天器姿态机动干扰观测器终端滑模控制模糊控制

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姿态机动开关反馈控制器消振参数优化设计

系统工程与电子技术 2005年第7期27卷 1275-1279页

作者：周黎妮唐国金国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

研究空间飞行器大角度姿态机动反馈开关控制的消振参数优化设计问题。基于一类采用拟欧拉角、拟欧拉角速度和飞行器绝对角速度为反馈信号的姿态机动控制模型,以其消振参数为优化变量,开关次数为优化指标,建立了姿态机动参数优化模型。... 详细信息

研究空间飞行器大角度姿态机动反馈开关控制的消振参数优化设计问题。基于一类采用拟欧拉角、拟欧拉角速度和飞行器绝对角速度为反馈信号的姿态机动控制模型,以其消振参数为优化变量,开关次数为优化指标,建立了姿态机动参数优化模型。采用模拟退火算法完成了控制器参数的优化设计。仿真结果表明,通过引入消振参数和对消振参数的进一步优化,可以明显地减少开关次数,同时开关次数的减少是以增大机动时间为代价的。

关键词：姿态机动消振参数优化模拟退火算法

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大型桁架式卫星高精度姿态机动控制

大型桁架式卫星高精度姿态机动控制

作者：刘魏林哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航天任务的越来越复杂,卫星朝着大尺寸的方向发展,而受火箭运载能力的约束,要求其满足轻质量特性,这就使卫星带有大型挠性结构。本文以大型桁架式卫星为研究对象,对其大惯量、低频模态密集特性导致在动力学建模和主动振动控制应用... 详细信息

随着航天任务的越来越复杂,卫星朝着大尺寸的方向发展,而受火箭运载能力的约束,要求其满足轻质量特性,这就使卫星带有大型挠性结构。本文以大型桁架式卫星为研究对象,对其大惯量、低频模态密集特性导致在动力学建模和主动振动控制应用时表现出不同于典型挠性卫星的特点,从动力学建模、有限元分析,到挠性结构主动振动控制中作动器/传感器位置优化、抑制高阶模态溢出,以及路径规划和多时间尺度控制等多角度进行了研究,实现了对大型桁架式卫星的高精度姿态机动控制。由于大型桁架式卫星的大惯量特性,其负载端存在惯性耦合。因此分布质量下的平动、转动耦合系数计算方法与常用的集中质量有限元法不同,在此基础上推导了刚-柔耦合动力学方程,并计算了非约束模态频率,与有限元软件进行了对比。针对大型桁架式卫星刚度低、模态密集的特征,对其施加主动振动控制,以提高姿态控制精度。由于其观测溢出现象较典型的挠性卫星更为严重。首先从数学模型的角度说明了高阶溢出产生的原因,然后分别从作动器/传感器位置优化、模态观测器、主动振动控制器的角度针对抑制高阶模态溢出进行设计。将有效模态质量引入到优化准则中,提出了减弱模态溢出的改进优化准则;对卡尔曼模态观测器进行改造,抑制了观测溢出现象;在主动振动控制器中引入了自适应增益,采用改进的滑模独立模态空间控制器减弱了溢出对控制器性能的影响。针对大型桁架式卫星姿态机动时,未规划路径会导致角加速度突变激发挠性结构振动的问题,采用正弦型和五次多项式型路径规划方法,抑制了挠性结构振动;其次,将主动振动控制和姿态机动控制结合,利用奇异摄动理论将原高阶系统分解为快、慢两个的低阶子系统并分别设计控制器。通过仿真验证了其设计的合理性以及具有的良好姿态控制精度和振动抑制效果。

关键词：挠性桁架卫星模态溢出位置优化主动振动控制奇异摄动姿态机动

基于滑模控制的充液挠性航天器姿态机动复合控制

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基于滑模控制的充液挠性航天器姿态机动复合控制

作者：吴涛涛内蒙古工业大学

学位级别：硕士

伴随着航天技术不断发展,航天任务日益复杂化,航天器需要携带大量液体助推剂和大型太阳帆板,以实现更长的在轨工作时间。航天器运行过程中液体燃料的晃动和太阳帆板的振动会与刚体航天器的运动产生耦合作用,直接影响航天器姿态控制的稳... 详细信息

伴随着航天技术不断发展,航天任务日益复杂化,航天器需要携带大量液体助推剂和大型太阳帆板,以实现更长的在轨工作时间。航天器运行过程中液体燃料的晃动和太阳帆板的振动会与刚体航天器的运动产生耦合作用,直接影响航天器姿态控制的稳定性,从而导致任务失败。此外,航天器运行的环境总是存在未知干扰,还会受到自身参数不确定性的影响。本文以在轨服务的充液挠性航天器为研究对象,考虑液体晃动和挠性附件振动对航天器的耦合作用,以滑模控制为主要的控制手段,设计既能实现航天器姿态机动,又能抑制液体燃料晃动及挠性附件振动的复合控制策略。具体研究内容如下:(1)首先将航天器内晃动液体燃料等效为球摆模型,挠性帆板假设为欧拉-伯努利梁,利用拉格朗日方法建立充液挠性航天器的耦合动力学方程。将推导的刚-液-柔耦合航天器动力学方程与刚体航天器动力学方程进行对比,定性分析液体晃动和挠性附件振动对航天器姿态控制的影响,为后续控制策略的设计明确了思路。(2)考虑到航天器受到未知干扰力矩和自身参数不确定的影响,基于充液挠性航天器的耦合动力学模型,提出了一种动态滑模控制算法。首先给出传统线性滑模变结构控制算法,并分析在该控制律下系统抖动的原因。通过对传统滑模控制中的切换函数进行求导,构造新的切换函数,得到连续的动态滑模控制。仿真结果表明,动态滑模控制律有效抑制了符号函数项引起的抖动,对外界扰动有较强的鲁棒性,具有较好的控制性能。(3)考虑到实际工程中未知干扰上限难以准确估计,为了消除未知干扰力矩和自身参数的不确定性对航天器姿态控制影响,设计有限时间积分滑模干扰观测器对其进行估计补偿。在传统滑模控制的基础上引入时变参数,达到消除滑模控制下系统抖动的目的。设计命令光滑器对液体晃动和挠性附件振动进行抑制,从而提高系统控制性能和控制精度。仿真结果验证了该复合控制策略的有效性。(4)针对航天器控制系统中同时存在外部未知干扰、参数不确定和某些信息难以测量问题,提出了一种模糊终端滑模控制策略。首先设计干扰观测器对集总扰动进行估计和补偿,基于终端滑模理论设计控制器,保证状态变量在有限时间内收敛。针对终端滑模的抖动问题,分别从滑模面和控制力矩两个角度进行优化,数值模拟结果显示,两种优化方法都可以在实现充液挠性航天器的姿态机动的前提下,有效抑制控系统抖动。对比发现,运用模糊控制技术对控制力矩进行优化后的控制效果更好,且参数调试难度更低。

关键词：充液挠性航天器姿态机动滑模控制干扰观测器模糊控制

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态机动最优路径规划

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宇航学报 2020年第10期41卷 1331-1340页

作者：程朝阳绳涛秦捷钟超何亮上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 国防科技大学空天科学学院长沙410073

针对应用变速控制力矩陀螺VSCMG为姿态控制执行机构的微小卫星,提出了一种姿态机动最优路径规划方法。从冗余金字塔构型VSCMGs系统的姿态机动任务和考虑VSCMGs系统故障失效的姿态机动任务两类问题出发,综合考虑VSCMG在实际工程应用中的... 详细信息

针对应用变速控制力矩陀螺VSCMG为姿态控制执行机构的微小卫星,提出了一种姿态机动最优路径规划方法。从冗余金字塔构型VSCMGs系统的姿态机动任务和考虑VSCMGs系统故障失效的姿态机动任务两类问题出发,综合考虑VSCMG在实际工程应用中的各种约束条件(框架角约束、框架角速度约束、转子转速约束和奇异度量约束等)以及充分发挥VSCMG的力矩输出优势,采用Gauss伪谱法规划了相应性能指标最优的姿态机动最优路径。仿真结果表明设计的应用VSCMG的航天器姿态机动最优路径规划算法能够满足提出的约束条件和最优路径规划策略,可以顺利完成航天器姿态机动任务。而且相比于传统的VSCMGs系统操纵律,设计的算法具有更高的实用性和有效性。

关键词：姿态机动变速控制力矩陀螺 Gauss伪谱法奇异性

航天器喷气姿态机动分力合成抑制模态选取准则

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宇航学报 2013年第4期34卷 473-479页

作者：齐乃明赵宝山赵志刚王佩臣孙禄君哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 黑龙江工程学院数学系哈尔滨150050 哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程与自动化学院深圳518055

针对利用喷气执行机构实现航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,以期望的姿态指向精度及稳定度为约束,提出了需要抑制的系统模态阶次选取准则。仿真验证模型由绕单轴旋转的中心刚体及柔性附件组成,应用拉格朗日法建立适用于不同附... 详细信息

针对利用喷气执行机构实现航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,以期望的姿态指向精度及稳定度为约束,提出了需要抑制的系统模态阶次选取准则。仿真验证模型由绕单轴旋转的中心刚体及柔性附件组成,应用拉格朗日法建立适用于不同附件位置的系统动力学方程,利用准则设计了常幅值分力合成控制力矩。仿真结果验证了所提出准则的有效性,并表明:在姿态机动前若能适当调整柔性附件的位置,将便于分力合成控制器设计,易于获得较高的姿态指向精度及稳定度,且利于减少喷气次数。

关键词：柔性航天器振动抑制分力合成姿态机动常幅值控制