刚性航天器姿态约束控制研究

发布时间：2020-04-10 23:43

【摘要】：航天技术在军事和民事应用中都有着十分重要的作用,而姿态控制问题是航天器控制的关键问题之一。航天器是一种非线性、强耦合、多输入多输出的复杂系统,本论文分别基于四元数和修正罗德里格参数,建立航天器姿态控制模型,避免欧拉角方法的复杂运算和万向锁问题。在此基础上,针对存在转动惯量不确定、未知外部扰动、执行器故障以及饱和的刚性航天器,提出改进型障碍李雅普诺夫函数,扩展了传统对数障碍李雅普诺夫函数的应用范围,并结合滑模和反步技术设计姿态约束控制器,保证刚性航天器姿态的高精度控制和瞬态性能。本文的主要研究内容概括如下:1.针对存在转动惯量不确定和外部干扰的刚性航天器姿态跟踪问题,提出一种基于快速幂次趋近律和干扰观测器的滑模控制方法。针对导数有界的总体干扰,设计干扰观测器进行估计。结合快速幂次趋近律和干扰估计设计滑模控制器,保证航天器姿态和角速度跟踪误差的收敛。通过李雅普诺夫稳定性分析证明了闭环系统的稳定性。2.针对存在不确定性、执行器故障和饱和的刚性航天器,提出一种基于障碍李雅普诺夫函数的反步控制方法。提出改进型障碍李雅普诺夫函数,扩展了传统对数障碍李雅普诺夫函数的应用范围。并在此基础上设计反步控制器的虚拟控制律和控制律,保证航天器系统的跟踪性能和约束要求。同时设计微分跟踪器避免对虚拟控制律求导,并设计自适应更新律估计不确定性的界,因此不需要任何有关故障和饱和的先验知识。3.针对存在执行器饱和且无角速度测量的刚性航天器,提出一种全状态约束输出反馈控制方法。基于修正罗德里格斯参数构建系统模型,提出非对称改进型障碍李雅普诺夫函数。构造二阶辅助系统,将控制输入和饱和输入差值作为辅助系统的输入,辅助系统的输出用以补偿饱和的影响。设计状态观测器估计未知状态量,并结合反步法设计输出反馈控制律,保证系统全状态约束性能和姿态跟踪精度。通过李雅普诺夫稳定性分析证明状态观测误差和跟踪误差能够达到一致最终有界。4.针对存在转动惯量不确定、未知外部扰动、执行器故障和饱和的刚性航天器的姿态镇定问题,提出一种自适应有限时间容错控制方法。在反步控制设计过程中采用一阶命令滤波器估计虚拟控制律的导数,避免了对虚拟控制律求导引起的奇异值问题。设计模糊系统估计系统不确定性。此外,通过误差变换使得控制器中包含预设性能边界,进而保证系统输出符合约束性能。设计的模糊自适应有限时间反步控制器可以实现航天器姿态的有限时间镇定。5.数值仿真验证了论文所提控制方案的有效性和优越性。最后,对本论文的主要研究成果进行了归纳总结,并展望了未来的工作。
【图文】：

图1-1日本“月亮女神”月球探测器(左)和美国“好奇号”火星探测器(右)

欧洲“罗塞塔”彗星探测器(左)和中国“神州11号”与“天宫二号”对接(右)
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2

【参考文献】

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本文编号：2622856