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航天器姿态控制的区间参数化方法

空间控制技术与应用 2020年第5期46卷 59-64,72页

作者：汪洋龚薇张江伟余琪朱勃帆四川大学电气工程学院成都610065 北京控制工程研究所北京100090 北京轩宇空间科技有限公司北京100190

考虑一类航天器姿态最优控制问题,通过控制参数化的方法和约束转录的方法,将航天器姿态最优控制问题转化为最优参数选择问题.提出一种新的区间时间变换方法用于解决最优参数选择问题的切换时间点的计算问题.将时间切换点按顺序分为一系... 详细信息

考虑一类航天器姿态最优控制问题,通过控制参数化的方法和约束转录的方法,将航天器姿态最优控制问题转化为最优参数选择问题.提出一种新的区间时间变换方法用于解决最优参数选择问题的切换时间点的计算问题.将时间切换点按顺序分为一系列子集,将每个集合的所在的时域宽度作为决策变量进行优化,每个子集内的切换时间点将会随着此决策变量线性变化.由此,控制值将分布在数个稠密或稀疏的区间内,而不是由均分的分段常值函数表示.相比于全时间节点优化技术,此方法有效的降低了需要计算的决策变量的数量,增加了算法的执行效率.

关键词：控制参数化航天器姿态控制时间变换约束转录

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基于控制力矩陀螺的航天器功率最优姿态控制

空间控制技术与应用 2023年第1期49卷 30-39页

作者：李兵科于延波王蜀泉谭永华岳文龙北京航天动力研究所北京100076 中国科学院空间应用工程与技术中心北京100094 航天推进技术研究院西安710100

本文研究基于控制力矩陀螺利用零子空间的航天器姿态控制功率优化问题.航天器采用4个为一组的控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制执行机构.对于N-CMG(N≥4)组而言,如非进入奇异构型,控制的解空间存在一维自由度的零运动.利用该自由度,根据... 详细信息

本文研究基于控制力矩陀螺利用零子空间的航天器姿态控制功率优化问题.航天器采用4个为一组的控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制执行机构.对于N-CMG(N≥4)组而言,如非进入奇异构型,控制的解空间存在一维自由度的零运动.利用该自由度,根据设定的功率函数,可通过局部优化算法在零运动空间求解功率最优解.将该功率最优化算法分别应用于姿态跟踪任务与姿态稳定任务,仿真结果表明,这种功率最优算法对姿态稳定任务具有更好的功率优化效果.

关键词：控制力矩陀螺(CMG) 功率最优航天器姿态控制

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航天器姿态控制干扰抑制及振动隔离问题研究

航天器姿态控制干扰抑制及振动隔离问题研究

作者：马晶晶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

当今航天器的结构日益复杂,执行的任务越来越多种多样,所面临的干扰也越来越难以描述,航天器的姿态控制显得愈发复杂和重要。一些任务要求航天器有很高的指向精度并且能够快速机动到位,另一些任务则需要航天器能够实现对给定轨迹的精确... 详细信息

当今航天器的结构日益复杂,执行的任务越来越多种多样,所面临的干扰也越来越难以描述,航天器的姿态控制显得愈发复杂和重要。一些任务要求航天器有很高的指向精度并且能够快速机动到位,另一些任务则需要航天器能够实现对给定轨迹的精确跟踪。因此,研究一类更加实用和有效的航天器姿态控制和干扰抑制算法显得尤为重要。针对以上问题,本文主要针对航天器姿态跟踪控制中干扰抑制以及振动隔离问题展开了了如下研究:针对挠性航天器姿态跟踪过程的干扰抑制问题进行了研究。考虑由欧拉角描述法建立的航天器姿态运动学模型,设计了基于非线性干扰观测器的轨迹线性化控制方案。轨迹线性化控制非常适合解决非线性的跟踪问题,且工程实用性强,但对干扰的抑制能力有限,因此使用干扰观测器对干扰进行反馈补偿。由于欧拉角在特定的角度会发生奇异,因此,后续的姿态控制方案采用了基于四元数运动学模型。为了增强挠性航天器姿态跟踪过程的鲁棒性,设计了基于HJI理论的滑模鲁棒控制器,并定义滑模函数为评价信号,采用系统的L2增益为性能指标,表征系统的抗干扰能力。理论分析和数值仿真都表明了该算法的有效性。前两种控制算法都将动力学模型中挠性附件与本体的耦合项当做等效干扰,且没有考虑实际工程中航天器转动惯量的不确定性。鉴于此,通过利用自适应技术对不确定性进行估计,设计了一类自适应滑模控制方案。上述三种控制算法都能使挠性航天器在有限时间内实现对期望姿态的跟踪,并能抑制外部干扰。此外,鉴于空间任务对敏感载荷的指向精度要求越来越高,只对航天器本体进行姿态控制已经很难满足要求,需要对敏感载荷采取一定的隔振措施。本文在敏感载荷与振动源之间加入Stewart平台作为振动隔离器,以最大程度地减少振动源对敏感载荷的振动传递。首先,本文进行了敏感载荷的振动隔离研究,针对以音圈电机作为执行机构的立方体构型的6自由度隔振Stewart平台设计基于扩张状态观测器的PD主被动隔振,与被动隔振相比,平台对宽频带内的正弦信号干扰和随机噪声的隔振性能得到了提高。为了进一步提高平台的隔振性能,设计了基于反步法和滑模控制的主被动隔振算法。相比于PD主被动隔振控制,平台的隔振性能进一步得到了提高,尤其是对中高频的正弦信号干扰和随机噪声。

关键词：航天器姿态控制干扰抑制轨迹线性化控制滑模控制振动隔离 Stewart平台

外部扰动下多航天器姿态跟踪保性能控制策略研究

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外部扰动下多航天器姿态跟踪保性能控制策略研究

作者：李自闯中南大学

学位级别：硕士

由于航天器自身资源有限,相比于传统的连续或者周期通信带来的沉重的通信负担,事件触发机制能够减少通信频率,节约通信资源。此外,在外太空的复杂环境中,航天器不可避免的会受到外部扰动。因此,如何在外部扰动下设计能够提升系统暂态性... 详细信息

由于航天器自身资源有限,相比于传统的连续或者周期通信带来的沉重的通信负担,事件触发机制能够减少通信频率,节约通信资源。此外,在外太空的复杂环境中,航天器不可避免的会受到外部扰动。因此,如何在外部扰动下设计能够提升系统暂态性能和稳态性能的多航天器姿态跟踪保性能控制策略是本文的研究重点。本文主要研究内容如下:1.针对受到外部扰动的多航天器姿态跟踪控制中连续通信造成的通信资源浪费问题,提出了基于具有性能可调节特性的事件触发观测器的多航天器姿态跟踪控制策略。首先,设计了事件触发观测器用于跟踪领导者航天器的状态,通过引入的性能调节函数调节航天器间的通信次数和系统收敛速度,并保证芝诺异常行为的排除;然后,设计了基于观测器与跟随者航天器之间误差的自适应控制器,使得领导者航天器和跟随者航天器之间的误差达到最终一致有界。并且通过数值仿真说明了事件触发机制中性能调节函数对于系统收敛速度和航天器通信次数的调节作用,验证了控制器的有效性。2.针对外部扰动下观测器和跟随者航天器跟踪耦合误差难以约束的问题,提出了基于耦合误差预设性能的多航天器姿态跟踪控制策略。首先,设计了事件触发观测器用于跟踪领导者航天器的状态,通过引入的性能调节函数调节航天器间的通信次数和系统收敛速度,并保证芝诺异常行为的排除;然后,设计了基于观测器与跟随者航天器之间耦合误差的预设性能控制器,使得该耦合误差量始终保持在预设的性能边界之内,确保了姿态和角速度跟踪误差有界。最后通过数值仿真验证了预设性能控制器的有效性。3.针对外部扰动和参数不确定性下的领导者航天器与跟随者航天器之间姿态和角速度跟踪误差稳态值难以确定的问题,提出了基于单位四元数有限时间观测器和耦合误差预设性能的多航天器姿态跟踪控制策略。首先,通过设计的有限时间观测器实现在有限时间内估计领导者航天器的状态。然后,设计了基于观测器与跟随者航天器之间耦合误差的预设性能控制器。利用姿态观测值的单位四元数性质,将耦合误差稳态值的约束转化为姿态跟踪误差和角速度跟踪误差稳态值的分别约束,实现了姿态和角速度跟踪误差收敛到预设范围,保证了系统的稳态性能。最后通过数值仿真验证理论结果的有效性。图26幅,表4个,参考文献80篇

关键词：多智能体系统航天器姿态控制预设性能控制非线性控制

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基于强化学习的航天器姿态控制器设计

上海航天（中英文） 2023年第1期40卷 80-85页

作者：张瑞卿钟睿徐毅北京航空航天大学宇航学院北京102206 上海卫星工程研究所上海201109

航天器在轨执行某些任务时,其质量参数会发生未知变化,传统控制方法在这种情况下控制效果不佳。本文提出基于强化学习的航天器姿态控制器设计方法,该方法在姿态控制器训练过程中不需要对航天器进行动力学建模,不依赖航天器的质量参数。... 详细信息

航天器在轨执行某些任务时,其质量参数会发生未知变化,传统控制方法在这种情况下控制效果不佳。本文提出基于强化学习的航天器姿态控制器设计方法,该方法在姿态控制器训练过程中不需要对航天器进行动力学建模,不依赖航天器的质量参数。当质量参数发生较大未知变化时,训练好的控制器仍然可以保持较好的控制效果。仿真测试表明:使用基于强化学习方法训练的控制器确实具有良好的鲁棒性。此外,回报函数的设计会明显影响姿态控制器的训练,因此对不同的回报函数设计进行了研究。

关键词：航天器姿态控制鲁棒性强化学习神经网络回报函数

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网络化航天器弹性姿态跟踪控制

指挥与控制学报 2023年第2期9卷 164-174页

作者：于洋陈哲袁源上海交通大学航空航天学院上海200240 西北工业大学航天学院陕西西安710072

针对网络化航天器姿态弹性跟踪控制问题,借鉴主动抗干扰控制思想,设计攻击检测机制对控制器端到执行器端网络攻击进行监测,利用网络通道传输信息设计两个自适应观测器,在抑制内部噪声的同时对外界扰动及恶意攻击信号进行实时估计.采用... 详细信息

针对网络化航天器姿态弹性跟踪控制问题,借鉴主动抗干扰控制思想,设计攻击检测机制对控制器端到执行器端网络攻击进行监测,利用网络通道传输信息设计两个自适应观测器,在抑制内部噪声的同时对外界扰动及恶意攻击信号进行实时估计.采用多前馈与反馈相结合的方式设计复合抗干扰及抗攻击控制器,抵消扰动及攻击对系统性能的影响,提升网络化航天器系统的安全性及稳定性.

关键词：航天器姿态控制自适应观测器弹性控制抗干扰控制

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执行机构故障的航天器姿态容错控制

宇航学报 2017年第11期38卷 1186-1194页

作者：耿云海金荣玉陈雪芹李冬柏哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

针对航天器执行机构(飞轮)故障的姿态控制问题,基于线性变参数(LPV)系统设计鲁棒变增益PID容错控制。考虑转动惯量随时间变化和执行机构乘性故障,将航天器姿态动力学转化为不确定LPV系统。设计控制器时,利用仿射二次稳定的方法降低控制... 详细信息

针对航天器执行机构(飞轮)故障的姿态控制问题,基于线性变参数(LPV)系统设计鲁棒变增益PID容错控制。考虑转动惯量随时间变化和执行机构乘性故障,将航天器姿态动力学转化为不确定LPV系统。设计控制器时,利用仿射二次稳定的方法降低控制算法的保守性,引入保性能控制保证系统的鲁棒性。仿真结果表明,控制方法是有效的。

关键词：航天器姿态控制容错控制执行机构故障线性变参数(LPV) 鲁棒变增益控制

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无角速度测量的航天器有限时间姿态控制

无角速度测量的航天器有限时间姿态控制

作者：柯晓曼哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航天事业的蓬勃发展,任务执行过程中对于航天器姿态控制提出了更高的要求,注重于鲁棒性、敏捷性与精确性的提升。航天器姿态控制中主要涉及的状态向量为航天器姿态角和姿态角速度,分别可由红外地平仪、星敏感器等姿态测量仪及速率... 详细信息

随着航天事业的蓬勃发展,任务执行过程中对于航天器姿态控制提出了更高的要求,注重于鲁棒性、敏捷性与精确性的提升。航天器姿态控制中主要涉及的状态向量为航天器姿态角和姿态角速度,分别可由红外地平仪、星敏感器等姿态测量仪及速率陀螺测得。因为速率陀螺常处于高速旋转状态并且占用一定载荷,故本文针对未搭载速率陀螺或者在轨运行过程中速率陀螺损坏的无角速度测量的微小卫星,进行有限时间姿态控制研究。在完成无角速度测量的有限时间姿态控制基础上,进一步实现了固定时间姿态控制,提升控制性能。首先,给出航天器姿态控制常用坐标系的定义,介绍与航天器姿态控制相关的姿态参数描述方式,并明确彼此之间的转换关系,基于修正罗德里格参数及四元数的两种姿态描述方式,对三自由度的航天器的姿态运动学和动力学进行推导与建模。其次,研究无角速度测量的航天器有限时间姿态控制问题。在未建模动态的情况下,基于加幂积分理论设计了一个有限时间滤波器与控制器。在不考虑外界干扰及参数不确定的情况下,对闭环系统的有限时间稳定进行分析,进而,考虑其存在,对闭环系统的有限时间收敛有界进行理论分析。在控制力矩最大值受限情况下,通过分析与仿真结果证明本章有限时间滤波器及控制器的设计的有效性。最后,研究无角速度测量的航天器固定时间姿态控制问题。提出了一个基于齐次定理的固定时间观测器,考虑存在外界干扰及参数不确定等现实情况,对观测系统的固定时间收敛有界进行分析。基于线性时变不等式方法理论,通过滑模法提出一个固定时间姿态控制器,并分析闭环系统的稳定性,通过分析与仿真证明本章提出的固定时间观测器及控制器的有效性与优越性。

关键词：无角速度测量有限时间控制固定时间控制航天器姿态控制

输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制

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航空学报 2023年第10期44卷 221-238页

作者：许闯吴宝林哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150001

研究有向通信拓扑结构下存在输入饱和时多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制问题。首先,针对只有部分航天器可以获得主航天器姿态和角速度状态信息问题,设计了一个固定时间主航天器状态观测器来观测主航天器状态信息。针对航天... 详细信息

研究有向通信拓扑结构下存在输入饱和时多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制问题。首先,针对只有部分航天器可以获得主航天器姿态和角速度状态信息问题,设计了一个固定时间主航天器状态观测器来观测主航天器状态信息。针对航天器无法测量自身角速度的情况,设计了一个固定时间航天器角速度观测器,实现了在固定时间内观测出航天器角速度信息。然后,基于固定时间主航天器状态观测器和固定时间航天器角速度观测器,设计一个固定时间输出反馈姿态追踪控制器,并证明了系统固定时间稳定性。此外,仿真结果也验证了所提控制策略的有效性。

关键词：输入饱和输出反馈固定时间控制协同控制多航天器航天器姿态控制