航天器有限时间饱和姿态跟踪控制

针对刚体航天器系统,对存在模型不确定性、外界干扰力矩和控制器饱和等条件下的姿态跟踪控制问题进行了研究。首先,考虑未知模型不确定性和外界干扰,且总干扰上界为未知常数,结合快速非奇异终端滑模、快速终端滑模趋近律以及辅助系统构造了基本的鲁棒有限时间饱和控制器,并通过辅助系统直接补偿了控制器饱和;其次,针对系统总干扰具有多项式上界的情形,进一步结合自适应控制算法,对其上界函数中的未知参数进行在线估计,并设计了自适应有限时间饱和控制器。同时,基于Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制算法的有限时间收敛特性。最后,通过数值仿真验证所提出控制算法的控制效果,在两种控制器作用下姿态的跟踪精度分别为5×10-5和1×10-5,证明了所提出控制算法的有效性。     

航天器有限时间自适应容错姿态控制

针对存在执行器故障、转动惯量偏差以及外部扰动等系统不确定性的航天器姿态跟踪问题,提出一种有限时间自适应容错姿态控制方法。建立基于四元数的航天器姿态动力学模型、执行器故障模型和系统不确定性模型,并将执行器故障分为乘性故障和加性故障两大类;利用滑模控制和有限时间控制理论设计有限时间姿态控制器,并通过设计自适应变量及更新方法对执行器故障以及系统不确定性引起的控制偏差上界进行估计和补偿,使姿态控制器对故障和扰动具有良好的适应性和鲁棒性。得到的新型有限时间自适应容错姿态控制器能够保证航天器在执行器故障以及系统不确定性条件下在有限时间内精确收敛到期望值。利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的渐进稳定性和有限时间稳定性,数值仿真验证了所提出方法的可行性和有效性。     

航天器编队系统相对位置自适应分布式控制

针对具有参数不确定性以及外部扰动的航天器编队飞行队形跟踪控制问题,基于反步控制策略提出了一种能够实现控制有界的自适应编队控制方法。首先建立航天器相对运动的非线性动力学方程,在不考虑外部干扰情况下,利用饱和函数设计了输入有界的自适应协同控制器;之后进一步考虑存在外部干扰的情况,通过估计扰动上界设计了鲁棒自适应协同控制器,并且采用Lyapunov稳定性分析方法证明了控制系统的稳定性。数值仿真结果表明,提出的控制方法能够满足控制受限并实现航天器队形的协同控制,同时在大约100 s误差收敛到0附近,队形跟踪和队形保持的稳态误差分别小于0.002 m和0.005 m。     

含J2摄动的有限时间航天器追逃博弈问题研究

航天器追逃博弈是航天器在轨捕获任务的一个重要问题,具有极高的军民两用双重价值．针对有限时间且考虑J2摄动的航天器追逃博弈问题,本文提出了一种精确的求解方法．该方法的核心思想是将有限时间的航天器追逃博弈问题建模为有限时间二人零和对策,则博弈中两航天器的最优控制策略可以转化为有限时间二人零和对策的鞍点解．在鞍点解的求解过程中,本文首先基于考虑J2摄动的非线性动力学方程,将两航天器动力学方程和始末边值条件与鞍点解必要条件结合得到两点边值问题,然后提出一种结合遗传算法和配点法的混合算法求解该两点边值问题以得到精确的鞍点解．本文利用数值仿真对所提方法的有效性进行了验证．结果表明：(i) 在航天器追逃博弈过程中,J2摄动对两航天器的最优控制策略具有较大影响;(ii) 所提方法能够精确求解出两航天器在有限时间的追逃博弈过程中的最优控制策略．     

车辆主动悬架设计的约束H∞控制方法

针对线性离散时间系统,研究其时域硬约束下的H∞输出反馈控制问题。假定外界扰动能量有限,基于线性矩阵不等式处理方法,提出并证明了时域硬约束下H∞输出反馈控制器存在的充分条件,并应用于车辆主动悬架设计。四分之一车辆模型数值仿真结果表明,即使车辆模型参数存在不确定性,本文提出的控制器在提高车辆乘坐舒适性的同时,仍能很好地兼顾车辆的其他性能要求。     

平动点Halo轨道航天器保持的多目标优化

针对日地系统平动点附近Halo轨道航天器保持任务,考虑航天器的能量消耗与轨道保持精度需求,采用多目标优化方法设计了改进时变控制器用于航天器Halo轨道保持任务。首先,基于圆形限制性三体模型推导了航天器的相对动力学方程并基于此设计了线性时变控制器。然后,采用多目标优化方法对时变控制器参数进行优化,得到满足航天器能量消耗与轨道保持精度之间平衡的Pareto最优解。最后,通过对考虑模型与环境干扰情况的数值模拟,结果表明多目标优化方法对平动点Halo轨道航天器保持任务达到低能能耗与高精度目标,具有一定的应用价值。     

柔性空间机器人快速终端滑模容错抑振控制

针对基座与臂杆存在柔性且执行机构发生故障的自由漂浮空间机器人系统，设计了快速终端滑模容错抑振控制器。结合线性弹簧假设、欧拉-伯努利梁理论和假设模态法提取了系统的柔性特征，利用拉格朗日方程推导出柔性基、柔性臂空间机器人系统的动力学模型；基于双幂次非奇异快速终端滑模为系统设计了有限时间容错控制器，采用Lyapunov函数法证明了闭环系统的稳定性；在此基础上，引入混合轨迹对容错控制器进行修正，进而构造出基于虚拟控制力的有限时间容错抑振控制器，实现对空间机器人载体姿态与关节轨迹的快速跟踪控制及基座与臂杆柔性振动的有效抑制。仿真结果表明，相较于无容错机制的计算力矩抑振控制算法，所设计算法的轨迹跟踪误差收敛速度提升了68.75%，弹性基座的振幅减小了78%，限定在1.1×10^-4 m之内。     

飞轮控制航天器的自适应姿态跟踪

本文讨论飞轮控制航天器的姿态控制问题。由于航天器在运行过程中受各种复杂环境因素的影响，难以确定其动力学参数的准确值，因此姿态控制系统必须具有自适应能力，以适应不可预计的干扰和航天器自身参数的改变。文中基于滑模控制方法提出一种改进的自适应姿态控制规律，适用于有内扰动力短存在的航天器。此控制规律可在不须提供动力学参数的情况下，使飞轮控制航天器跟踪期望的姿态变化规律以实现姿态机动。利用Lyapunov直接方法证明了控制系统的渐近稳定性。对于受随机扰动力短作用的航天器姿态跟踪的时间历程进行了数值仿真，计算结果证实上述方法的有效性。     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

基于扰动观测器的卫星姿态控制系统自适应有限时间容错控制

针对具有状态时变时滞、系统不确定性、可建模扰动、运行噪声和执行器故障的卫星姿态控制系统,提出一种基于扰动观测器的自适应有限时间复合主动容错控制策略。针对可建模扰动设计扰动观测器,然后基于扰动估计误差设计了主动容错控制器。该时滞依赖控制器包含反馈控制项、扰动补偿项和快速自适应故障补偿项。提出的容错控制策略不仅保证闭环系统动态方程的有限时间有界性,而且保证闭环测量输出对于系统不确定性、运行噪声、执行器故障等的鲁棒性。给出控制器增益限制矩阵存在的充分条件及其线性矩阵不等式形式,进而给出仿真算例。仿真结果表明,基于扰动观测器方法,设计的自适应有限时间容错控制器能够快速估计可建模扰动,进而有效地实现系统的闭环容错控制。相较于基于非复合的自适应有限容错控制器,提出的方法对于状态变量的估计均方根误差分别降低了28.9%、4.7%和36.0%;对于可建模扰动估计的均方根误差降低了38.8%。仿真验证了所提方法的有效性。     

Efficient targeted energy transfer of bistable nonlinear energy sink: application to optimal design

This paper addresses the tracking control problem of Euler–Lagrange systems with external disturbances in an environment containing obstacles. Based on a novel sliding manifold, a new asymptotic tracking controller is proposed to ensure the tracking errors converge to zero as time goes to infinity. Moreover, based on a modified nonsingular terminal sliding manifold, a finite-time convergent control algorithm is also developed to make sure the tracking errors converge to a small bounded area near the origin in finite time. Through introducing collision avoidance functions into the sliding manifolds, both controllers can guarantee the obstacle avoidance. Moreover, the stability of the closed-loop systems and approaches free of local minima have been rigorously analyzed. Finally, numerical simulations are carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed strategies.     

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。     

Finite-time command-filtered approximation-free attitude tracking control of rigid spacecraft

In this paper, a finite-time command-filtered approximation-free attitude tracking control strategy is proposed for rigid spacecraft. A novel finite-time prescribed performance function is first constructed to ensure that the attitude tracking errors converge to the predefined region in finite time. Then, a finite-time error compensation mechanism is constructed and incorporated into the backstepping control design, such that the differentiation of virtual control signals in recursive steps can be avoided to overcome the singularity issue. Compared with most of approximation-based attitude control methods, less computational burden and lower complexity are guaranteed by the proposed approximation-free control scheme due to the avoidance of using any function approximations. Simulations are given to illustrate the efficiency of the proposed method.

     

Finite-time synchronization of complex networks with nonidentical discontinuous nodes

In this paper, we study the finite-time synchronization problem for linearly coupled complex networks with discontinuous nonidentical nodes. Firstly, new conditions for general discontinuous chaotic systems is proposed, which is easy to be verified. Secondly, a set of new controllers are designed such that the considered model can be finite-timely synchronized onto any target node with discontinuous functions. Based on a finite-time stability theorem for equations with discontinuous right-hand and inequality techniques, several sufficient conditions are obtained to ensure the synchronization goal. Results of this paper are general, and they extend and improve existing results on both continuous and discontinuous complex networks. Finally, numerical example, in which a BA scale-free network with discontinuous Sprott and Chua circuits is finite-timely synchronized onto discontinuous Chen system, is given to show the effectiveness of our new results.     

A COLLISION-AVOIDANCE CONTROL ALGORITHM FOR SPACECRAFT PROXIMITY OPERATIONS BASED ON IMPROVED ARTIFICIAL POTENTIAL FUNCTION 1)

针对航天器近距离操作的安全问题,提出了一种基于人工势函数改进的碰撞规避控制算法.根据航天器与目标、障碍物之间的实时状态, 利用人工势函数算法,计算航天器的实时加速度, 规划航天器的轨迹. 为改进人工势函数方法的适用性,提出三个方面的改进措施: 首先, 在人工势函数算法中, 为提高碰撞预警的准确性,减少额外机动, 碰撞预警采用碰撞概率代替相对距离. 其次, 为了提高对接安全,降低接近目标航天器的相对速度, 利用相对速度的安全接近走廊来计算目标排斥力.最后, 针对大多航天器不能提供任意连续变化推力的情况, 设置两种实用的推力形式,如bang-bang控制的推力形式和恒定变化率的推力形式, 代替连续变推力形式.通过对不同算例的比较,成功地揭示了主要任务参数(如碰撞预警方法、速度安全边界和实际加速度形式)对近距离操作安全的影响.结果表明, 该方法可以提高航天器近距离操作的安全性、效率性, 并且结构简单,实时性强.     

基于改进人工势函数的航天器近距离安全控制方法

针对航天器近距离操作的安全问题,提出了一种基于人工势函数改进的碰撞规避控制算法.根据航天器与目标、障碍物之间的实时状态, 利用人工势函数算法,计算航天器的实时加速度, 规划航天器的轨迹. 为改进人工势函数方法的适用性,提出三个方面的改进措施: 首先, 在人工势函数算法中, 为提高碰撞预警的准确性,减少额外机动, 碰撞预警采用碰撞概率代替相对距离. 其次, 为了提高对接安全,降低接近目标航天器的相对速度, 利用相对速度的安全接近走廊来计算目标排斥力.最后, 针对大多航天器不能提供任意连续变化推力的情况, 设置两种实用的推力形式,如bang-bang控制的推力形式和恒定变化率的推力形式, 代替连续变推力形式.通过对不同算例的比较,成功地揭示了主要任务参数(如碰撞预警方法、速度安全边界和实际加速度形式)对近距离操作安全的影响.结果表明, 该方法可以提高航天器近距离操作的安全性、效率性, 并且结构简单,实时性强.      

Collision avoidance strategies and coordinated control of passenger vehicles

Recent research has demonstrated the efficaciousness of the coordinated control of platoons of vehicles in order to homogenize the traffic flows and improve the exploitation of the capacity of road networks. Yet, taking into account the necessity of reducing, in the next years, the number of accidents involving pedestrians or other vulnerable road users (VRUs), like cyclists and motorcyclists, it seems useful to provide the control systems of the vehicles of the platoon with some collision detection and avoidance capability. This issue is investigated in this paper. The control system presented in this paper allows to maintain cruise conditions, and, as a novelty with respect to consolidated proposals, to avoid the collision with possible VRUs present on the road. The proposed control system is realized by means of vehicle supervisors, which, on the basis of the data acquired by the sensors, make the decision on which is the appropriate current control mode for each controlled vehicle, and manage the switches among low-level controllers. These are designed relying on a simple bicycle model, and according to a sliding mode control methodology. This choice is motivated by the robustness features of the sliding mode design, which appears particularly appropriate dealing with the automotive context.     

空间机器人捕获航天器后基于无源性理论的鲁棒镇定控制

研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。     

Velocity-based tuning of degree of homogeneity for finite-time stabilization and fault tolerant control of an ROV in the presence of thruster saturation and rate limits

This paper introduces a homogeneous controller along a fixed-time state and fault observer for finite-time stabilization and fault accommodation of a remotely-operated vehicle in the presence of actuator saturation and rate limits. For this, a novel tuning algorithm is improvised for manipulating the degree of homogeneity in homogeneous controllers to effectively acquire different properties from the overall control system. The tuning of degree of homogeneity is based on vehicle’s velocity. The proposed algorithm results in a switching-type controller, which undergoes three different stages during the operation, to eliminate the sensitivity of conventional finite-time and fixed-time controllers to large initial errors in the presence of thruster constraints. In addition, a new fixed-time fault and state observer is designed for the realization of output feedback control and fault tolerance by combining a fixed-time state observer with a fault estimation unit. In contrast to conventional extended-state observers, this observer considers the dynamics of the thruster system in its formulation so that better performance can be provided for the control system upon thruster failures. Control allocation is utilized to accommodate thruster failures and faults and to take account of thruster saturation and rate limits. Stability analyses are carried out for the overall control system and the proposed observer. It is shown that the closed-loop control system would be globally finite-time stable. The state estimation subsystem is fixed-time stable and the fault estimation unit is input-to-state stable. Simulations are carried out and comparisons are made with several finite-time and fixed-time controllers to outline the advantages of the proposed homogeneous controller and the benefits of the overall fault-tolerant control system.