基于自适应鲁棒和神经网络逼近的航天器姿态有限时间控制

发布时间：2020-09-04 14:57

【摘要】：现代航天事业的发展,要求航天器具有较高的姿态控制精度,同时要求航天器的姿态能够尽快地收敛到平衡点。然而,一方面航天器在轨工作时会受到来自内外的多种干扰,包括来自外界的干扰力矩,以及航天器模型参数不确定带来的影响,从而影响航天器的控制精度;另一方面,现有的很多研究成果都只能保证系统平衡点处的渐近稳定,姿态控制误差理论上需要无限长的时间才能收敛到平衡点。针对以上问题,本文将深入研究存在内外部干扰的航天器姿态有限时间控制问题,主要内容包括如下的几个方面:在传统滑模面的基础上,本文在滑模面中引入分数次幂项,设计了一种适用于航天器姿态跟踪的新型终端滑模面。针对新型终端滑模面可能存在的奇异问题,对其加以改进得到非奇异终端滑模面。理论分析可知,改进后的终端滑模面不存在奇异问题,而且可以实现有限时间收敛至平衡点。本文运用改进的非奇异终端滑模面,设计了基于自适应鲁棒的航天器姿态有限时间控制器。通过引入三组自适应参数,实现了对系统总干扰上界的实时在线估计,将估计得到的系统总干扰上界应用于控制器中的鲁棒项,使控制器设计时不需要已知内外干扰信息。理论分析证明了该控制器的有限时间稳定性,数值仿真表明该控制器具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。本文运用改进的非奇异终端滑模面,设计了基于神经网络逼近的航天器姿态有限时间控制器。通过Chebyshev神经网络,实现了对系统总干扰的逼近,并在控制器中对系统总干扰加以补偿,从而极大程度地避免了内外干扰对姿态控制的影响。理论分析证明了该控制器的有限时间稳定性,数值仿真表明该控制器实现了对姿态的高精度控制。针对基于自适应鲁棒的航天器姿态有限时间控制器和基于神经网络逼近的航天器姿态有限时间控制器各自的控制性能特点,通过引入切换函数,两种控制器分别在不同的控制阶段发挥主导作用,设计得到了自适应鲁棒与神经网络逼近相结合的航天器姿态有限时间控制器。理论分析证明了该控制器的有限时间稳定性,数值仿真表明该控制器充分发挥了两种控制方法各自的优势,控制器既有较快的收敛速度,又有很高的控制精度。
【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】：V448.22
【图文】：

基于自适应鲁棒的控制器的仿真结果（姿态稳定控制，不考虑输出力矩饱和）

- 34 -d)控制力矩图 3-3 基于自适应鲁棒的控制器的仿真结果（姿态跟踪控制，不考虑输出力矩饱和）以上两组图分别展示了在姿态稳定控制和姿态跟踪控制时，应用控制器(3-27)的姿态控制结果，包括航天器的误差四元数、误差角速度、滑模量以及控制力矩的变化情况。数值仿真分析可知，在存在内外干扰的情况下，所设计的控制器可以使系统状态误差在有限时间内收敛至原点附近的小邻域内。所设计的控制器通过引入自适应参数和自适应更新律，实现了对系统总干扰上界的在线估计，使控制器设计时不再需要已知干扰信息；同时，将惯量矩阵与角速度的耦合项纳入系统总干扰，使控制器中不含惯量矩阵，从而使航天器姿态控制避免受到系统参数的不确定性的影响。数值仿真表明，控制器具有较快的收敛速度、较高的控制精度及较强的鲁棒性。针对姿态稳定和姿态跟踪两种控制情况，误差四元数、误差角速度和滑模量的控制精度，以及达到稳定状态时的控制力矩大小如表 3-1 所示。

d)控制力矩图 3-5 基于自适应鲁棒的控制器的仿真结果（姿态跟踪控制，考虑输出力矩饱和）以上两组图分别展示了考虑执行机构输出力矩饱和时，针对姿态稳定控制和姿态跟踪控制两种情况，应用控制器(3-27)的姿态控制结果，包括航天器的误差四元数、误差角速度、滑模量以及控制力矩的变化情况。执行机构输出力矩上下限 0.5N mau 和 0.5N mbu 的引入，使姿态收敛时间由原来的 5s 增加到50s ，这是控制力矩幅值受限减小的必然结果；但随着姿态的收敛，控制律所得到的力矩幅值减小，执行机构输出力矩将不再饱和，因此执行机构输出力矩上下限的引入不会影响姿态控制精度。理论分析与数值仿真结果都表明，执行机构输出力矩上下限的引入增加了姿态收敛的时间，但并不会影响姿态控制的精度，在存在干扰和执行机构控制力矩限制的情况下，所设计的控制器仍可以使系统状态误差在有限时间内收敛至原点附近的小邻域内，仍可以达到如表 3-1所示的控制精度。三组自适应参数实现了对系统总干扰上界的估计，图 3-6 展示了考虑执行机构输出力矩饱和的情况下，应用控制器(3-27)进行姿态跟踪控制时，三组自适

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本文编号：2812245