基于高阶滑模和人工势函数的航天器姿态容错控制

发布时间：2020-05-21 19:04

【摘要】：伴随航天事业的发展,航天任务、航天器结构与功能也日渐复杂,使得航天器的载荷附件种类日益丰富、自动化程度随之提高,携带诸如空间挠性机械臂、大型天线、太阳帆板等大型挠性附件的在轨航天器越来越多,其系统的复杂程度也越来越高。在复杂的空间环境中,这种复杂航天器系统的传感器、执行器等出现故障的概率也越来越大,一旦在轨阶段发生故障,无论是采用在轨维修技术还是放弃航天器的部分功能都要付出高昂的代价,而采用容错控制则可以在很大程度上解决这个问题。本文以挠性航天器作为研究对象,综合考虑航天器的挠性干扰以及常见故障,基于自适应滑模控制理论研究挠性航天器的容错控制问题,主要研究内容如下:首先考虑用姿态四元数描述航天器的运动学方程,直接给出基于假设模态法的挠性航天器的动力学方程,并对挠性模态及干扰进行初步的分析,同时对于执行机构的故障类型及数学模型进行简要的分析说明,并且引入相关滑模控制理论的基本知识。其次考虑执行机构发生乘性故障的容错控制问题,先考虑对故障元素直接进行自适应估计,利用对其求逆基于一般线性滑模面进行容错控制器的设计。进一步考虑控制输入受限,采用自适应滑模面来设计满足输入饱和要求的控制器,并结合求逆的补偿策略完成了自适应滑模控制器的设计并实现对乘性故障的容错控制。然后考虑对未知故障元素进行间接估计情况,采用二阶滑模面保证控制器的输出平滑,通过对故障元素进行分离与挠性干扰进行综合估计,结合控制系统模型和Lyapunov稳定性理论完成对自适应滑模容错控制器的设计,并实现了有限时间的容错控制。最后利用势函数的特性重新设计一种全新的不依赖于模型和Lyapunov稳定性原理的自适应更新律,将其用于滑模控制器的增益系数的自适应更新。基于此设计了一种自适应滑模控制器实现对挠性航天器执行机构故障的容错控制,减少执行器故障对姿态机动控制的影响,并充分使控制系统在稳态时的滑模控制器固有的抖振减弱,并且对外部不确定干扰具有良好的鲁棒性。
【图文】：

图 1-1 JCSat-1B 卫星技术日趋成熟的现在，航天器需要承担更多多元化的空间器各式部件的增多，这就导致航天器挠性的增大，这进一步。比如国际空间站就安装十对多的太阳能帆板，又或是 2五院研制高分三号 SAR 卫星，如图 1-2 所示，除了展开的了用于完成 SAR 任务星载天线，这对高分辨率成像质量提对航天器的控制问题不再局限于刚体，挠性航天器逐渐成为

图 1-1 JCSat-1B 卫星在航天技术日趋成熟的现在，，航天器需要承担更多多元化的空间任务，这势必将导致航天器各式部件的增多，这就导致航天器挠性的增大，这进一步影响航天器的控制问题。比如国际空间站就安装十对多的太阳能帆板，又或是 2016 年中国航天科技集团五院研制高分三号 SAR 卫星，如图 1-2 所示，除了展开的双太阳能帆板外还携带了用于完成 SAR 任务星载天线，这对高分辨率成像质量提出了严峻的挑战。因此对航天器的控制问题不再局限于刚体，挠性航天器逐渐成为研究的主要对象。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2

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本文编号：2674761