欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计 被引量：20

1

作者 王冬霞 贾英宏 +2 位作者 金磊 周付根 徐世杰 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期17-24,共8页

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第... 利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 推力器 分层滑模控制 全局渐近稳定

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零角动量欠驱动航天器逆最优稳定控制律设计 被引量：11

2

作者 宋道喆 耿云海 易涛 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期729-736,共8页

研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数(CLF),并由此得到逆最优... 研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数(CLF),并由此得到逆最优稳定控制律。该控制律可以避开求解Hamilton-Jacobi方程,最小化某一代价函数,同时具有扇形稳定裕度,对输入不确定性具有一定的鲁棒性。数学仿真结果表明,所设计的非线性不连续反馈控制律能够使姿态渐近稳定至平衡点,并具有最优性,以及在转动惯量存在不确定性时,扇形稳定裕度使系统具有一定的鲁棒性。 展开更多

关键词 零角动量 欠驱动航天器 逆最优控制 姿态控制 扇形稳定裕度

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带有两个飞轮的欠驱动航天器姿态稳定控制研究 被引量：12

3

作者 金磊 徐世杰 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2009年第2期8-16,共9页

在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最... 在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最大程度姿态稳定形式为航天器本体三轴角速度稳定,同时固连于航天器的某一特定视线轴指向任意给定惯性方向。利用一种新的姿态描述形式推导出了角速度为零时航天器的目标姿态,然后基于线性化后的系统设计了线性二次型最优控制器。数值仿真表明利用此控制器能实现所提出的姿态稳定形式,这对于无须实现本体系相对惯性系三轴姿态角为零,而只需对固连于本体的天线或相机进行惯性空间定向控制的航天器将完全满足其姿态控制要求,同时也能提高欠驱动航天器的可靠性。 展开更多

关键词 反作用飞轮 姿态稳定控制 动力学方程 线性优化 最佳控制 欠驱动航天器

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轮控欠驱动航天器的姿态控制特性 被引量：4

4

作者 桂海潮 徐世杰 +1 位作者 金磊 张军 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2012年第5期27-33,83,共8页

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定... 针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。 展开更多

关键词 姿态控制 反作用飞轮 局部可控 渐进镇定 欠驱动航天器

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欠驱动航天器飞轮控制方法 被引量：5

5

作者 张佳为 许诺 伍少雄 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期552-561,共10页

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集... 针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 飞轮群 姿态控制 可控性 预测控制

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欠驱动航天器姿态调节滑模控制 被引量：4

6

作者 马广富 刘刚 黄静 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第9期1-6,共6页

针对欠驱动航天器的姿态调节问题,设计了基于滑模变结构控制方法的控制器.给出基于四元数的三轴稳定欠驱动航天器动力学模型和运动学模型,在此基础上首先利用广义逆和二阶滑模趋近律设计了航天器欠驱动轴的姿态调节控制律,给出了欠驱动... 针对欠驱动航天器的姿态调节问题,设计了基于滑模变结构控制方法的控制器.给出基于四元数的三轴稳定欠驱动航天器动力学模型和运动学模型,在此基础上首先利用广义逆和二阶滑模趋近律设计了航天器欠驱动轴的姿态调节控制律,给出了欠驱动轴控制器所具有的一般形式,分析了控制器的可实现性,并引入微小摄动量以保证控制器解的存在,在保证欠驱动轴稳定的情况下,又设计了一阶滑模趋近律控制器实现可控轴的调节,最后证明了该控制方法在干扰作用下是有界稳定的,并进行了数值仿真,验证了所推导控制律对欠驱动航天器姿态调节控制的有效性. 展开更多

关键词 姿态调节控制 欠驱动航天器 滑模控制 广义逆

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欠驱动航天器滑模速率阻尼控制 被引量：5

7

作者 郭朝礼 张笃周 王淑一 《空间控制技术与应用》 2013年第4期12-17,共6页

针对具有推力器执行机构的航天器,在一轴推力器失效的情况下,设计滑模变结构速率阻尼控制器,证明系统的稳定性;分析控制器的抗干扰能力,给出控制器参数选取的指导原则;通过将惯量积视为外界干扰的方法,解决了非对角惯量阵航天器的欠驱... 针对具有推力器执行机构的航天器,在一轴推力器失效的情况下,设计滑模变结构速率阻尼控制器,证明系统的稳定性;分析控制器的抗干扰能力,给出控制器参数选取的指导原则;通过将惯量积视为外界干扰的方法,解决了非对角惯量阵航天器的欠驱动控制设计问题.从工程实际情况出发,考虑了推力器的开关工作特性、角速度测量幅值受限、外界干扰和非对角惯量阵的影响.最后通过数学仿真验证了控制器的有效性和工程实用性. 展开更多

关键词 欠驱动航天器 滑模控制 速率阻尼 推力器

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基于动态逆法的欠驱动航天器姿态机动控制 被引量：1

8

作者 桂海潮 徐世杰 金磊 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2014年第1期1-9,共9页

针对轴对称欠驱动航天器的姿态机动控制问题,在欠驱动轴为对称轴且沿该轴的角速度为零的情况下,结合广义动态逆法和退步控制,设计了使姿态误差全局收敛的切换控制律。通过引入饱和函数和恰当的选择控制增益,消除了控制律在初始时刻和稳... 针对轴对称欠驱动航天器的姿态机动控制问题,在欠驱动轴为对称轴且沿该轴的角速度为零的情况下,结合广义动态逆法和退步控制,设计了使姿态误差全局收敛的切换控制律。通过引入饱和函数和恰当的选择控制增益,消除了控制律在初始时刻和稳态阶段可能出现的奇异,同时避免了在机动初始阶段可能出现的大幅超调。经过严格的理论分析,证明在所设计的控制律作用下,姿态误差全局收敛,且控制律至多出现一次切换,不会出现颤振问题。数值仿真结果表明了该法的有效性。 展开更多

关键词 姿态控制 动态逆法 全局收敛 欠驱动航天器

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间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪 被引量：10

9

作者 易中贵 戈新生 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第6期648-655,共8页

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器,提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差... 针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器,提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量,根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解,避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 间接Legendre伪谱法 姿态机动 两点边值问题(TPBVP) 轨迹跟踪

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基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制 被引量：3

10

作者 易中贵 戈新生 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2017年第12期1319-1330,共12页

现代航天器一般可以通过三正交反作用动量飞轮对其进行姿态机动控制并任意定位.研究了当其中某一个动量飞轮失效而不能输出完整三轴控制力矩时的欠驱动航天器姿态优化控制问题.在系统动量矩等于零时,其姿态控制问题可以转化为无漂移系... 现代航天器一般可以通过三正交反作用动量飞轮对其进行姿态机动控制并任意定位.研究了当其中某一个动量飞轮失效而不能输出完整三轴控制力矩时的欠驱动航天器姿态优化控制问题.在系统动量矩等于零时,其姿态控制问题可以转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.采用Gauss伪谱法(GPM)将带有两个反作用动量飞轮的航天器姿态非完整运动规划问题转换为非线性规划问题(NLP),再通过SQP(sequential quadratic programming)算法求解.通过数值仿真、优化控制能达到设计的零边界控制要求,方便伺服电机对动量飞轮的控制;规划得到的姿态曲线与数值积分得到的曲线几乎完全重叠;权衡最终的优化目标值、运行时间和精度三因素找到合适的插值配点个数;结果表明了该方法对欠驱动航天器的姿态优化控制是有效的. 展开更多

关键词 欠驱动航天器 GAUSS伪谱法 姿态优化控制 非完整运动规划 非线性规划

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欠驱动航天器姿态机动时间-能量最优控制研究 被引量：1

11

作者 石青鑫 戈新生 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第2期349-355,506,共8页

针对由动量飞轮作为执行机构的欠驱动航天器,研究以飞轮角加速度作为控制输入的航天器大角度姿态机动问题。利用四元数描述欠驱动航天器的姿态运动学模型,分别以时间最优控制、时间-能量最优控制作为目标函数进行了基于Chebyshev-Gauss(... 针对由动量飞轮作为执行机构的欠驱动航天器,研究以飞轮角加速度作为控制输入的航天器大角度姿态机动问题。利用四元数描述欠驱动航天器的姿态运动学模型,分别以时间最优控制、时间-能量最优控制作为目标函数进行了基于Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法的优化设计和讨论。采用Clenshaw-Curtis积分近似得到了性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题进行离散,转变为一个非线性规划(NLP)的问题,NLP问题则可应用序列二次规划方法计算。两种目标函数优化的结果均使系统从初始姿态机动到终端姿态,终端角速度也都达到了预定值,对比发现时间-能量最优结果的能耗值比时间最优的能耗值小,但其机动耗时较长。 展开更多

关键词 Chebyshev-Gauss伪谱法 欠驱动航天器 姿态机动 时间最优 时间-能量最优控制

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欠驱动航天器编队重构的切换神经网络控制 被引量：3

12

作者 于金龙 李智 +1 位作者 张雅声 窦天恒 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期486-495,共10页

针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利... 针对圆轨道欠驱动航天器编队重构问题,将传统的自适应神经网络控制器和自适应滑模控制器相结合,设计了一种切换神经网络控制器,用以跟踪由伪谱法求解得到的航天器编队重构的最优开环控制轨迹。自适应神经网络控制器在活跃区域内工作,利用径向基神经网络(RBFNNs)近似动力学系统中的不确定项,自适应滑模控制器在活跃区域外工作,利用自适应律来估计近似误差上界,并采用李雅普诺夫方法证明了闭环系统稳定性。数值仿真结果表明切换神经网络控制器可在欠驱动条件下实现编队重构,与线性滑模控制器相比,实现了控制器快速、高精度、强鲁棒等控制性能。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 切换神经网络 自适应控制 编队重构

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欠驱动航天器实时最优控制算法设计 被引量：2

13

作者 庄宇飞 黄海滨 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2013年第7期1477-1485,共9页

针对欠驱动刚性航天器,提出了时间最优的闭环状态反馈控制算法。首先,利用直接Legendre伪谱法规划出航天器开环的姿态机动轨迹,并验证了所得最优控制输入的可行性。然后,以航天器实际运行轨迹与开环轨迹间的偏差为变量构造偏差方程,并... 针对欠驱动刚性航天器,提出了时间最优的闭环状态反馈控制算法。首先,利用直接Legendre伪谱法规划出航天器开环的姿态机动轨迹,并验证了所得最优控制输入的可行性。然后,以航天器实际运行轨迹与开环轨迹间的偏差为变量构造偏差方程,并提出了基于间接Legendre伪谱法的最优姿态稳定控制算法。最后,采用实时重规划策略实现了稳定控制器状态的反馈,从而完成了对参考轨迹的闭环跟踪。仿真结果表明所提算法运算量小,计算速度快,可以实时获取解析形式的控制输入修正量,而且对初始姿态存在扰动的情况具有一定的鲁棒性,运算精度较高。 展开更多

关键词 最优控制 轨迹规划 轨迹跟踪 伪谱法 欠驱动航天器

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欠驱动挠性航天器的全姿态控制 被引量：7

14

作者 张洪华 王芳 +1 位作者 胡锦昌 王泽国 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期419-429,共11页

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了"喷气消旋+飞轮机动"的分段控制方法,其基本思想是:首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮... 考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了"喷气消旋+飞轮机动"的分段控制方法,其基本思想是:首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对"喷气消旋",说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对"飞轮机动",证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对"喷气消旋+飞轮机动"的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 挠性航天器 姿态控制 姿态角速度 渐近稳定性

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欠驱动挠性航天器的单轴指向控制 被引量：8

15

作者 张洪华 王芳 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第7期1491-1501,共11页

研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法:第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向... 研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法:第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向控制。在此基础上,将两段控制结合提出了完整的单轴指向控制算法,该算法能够有效保证闭环控制系统的大范围渐近稳定性。理论分析和仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 挠性航天器 指向控制 角速度 渐近稳定性

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欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法 被引量：7

16

作者 戈新生 孙鹏伟 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第6期1233-1237,共5页

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位,当其中一轮失效,航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下,系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规... 研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位,当其中一轮失效,航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下,系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真,并和遗传算法进行了比较,结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。 展开更多

关键词 欠驱动航天器 姿态运动 运动规划 粒子群算法

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欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究(英文) 被引量：1

17

作者 马广富 庄宇飞 +1 位作者 李传江 黄海滨 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期355-360,共6页

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法... 研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。 展开更多

关键词 轨迹生成 欠驱动航天器 轴对称 微分平滑

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