新型终端滑模有限时间控制及航天应用研究

发布时间：2017-09-24 21:48

  本文关键词：新型终端滑模有限时间控制及航天应用研究

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【摘要】：快速且精确的姿态控制是航天器完成各项在轨任务的重要条件和保证。而航天器在轨运行时面临的外部干扰、执行机构物理限制导致的控制输出饱和以及长时间高强度的任务操作导致的执行器故障等多约束条件对快速且高精度的姿态控制产生很大影响。本文以刚体航天器有限时间姿态控制为课题开展研究,首先提出一类新型非奇异饱和终端滑模面,其次针对多约束条件下的航天器姿态跟踪控制问题提出一类有限时间姿态容错控制方案。首先,针对刚体航天器姿态机动过程中存在的控制饱和与外部干扰问题,设计一类基于新型非奇异饱和终端滑模面的有限时间姿态控制方案。该控制方案完全消除了自身奇异性且保证了姿态机动过程的快速性。该控制方案对于控制饱和问题的显式考虑使得航天器在饱和幅值的约束下完成了姿态机动任务,而且控制器的设计对外部干扰的上界没有任何要求,也无需任何小角度的假设。进一步的稳定性分析表明,新型非奇异饱和终端滑模控制方案的引入使得闭环系统能够快速地收敛到滑模面及平衡点的微小邻域的同时具有较强的鲁棒性。其次,针对刚体航天器执行器故障且控制饱和的姿态跟踪控制问题,提出了一类基于反步法的有限时间容错控制方案。考虑外部干扰的影响,通过引入一类新型具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,并利用参数自适应方法使得控制设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的界,设计了一类有限时间姿态跟踪控制器;在此研究基础上,进一步考虑控制饱和与执行器故障的影响,设计了一类满足多约束的有限时间容错控制器。该控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构。理论稳定性分析表明:所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性以及满足了控制饱和幅值要求,且对于执行器故障具有优越的容错能力。最后,将所设计的控制方案应用于相应的刚体航天器姿态控制,数值仿真结果验证了其在姿态控制过程中的可靠性及优越的控制性能。
【关键词】：航天器 姿态控制 有限时间 终端滑模 控制饱和 执行器故障
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究的背景与意义9-11
• 1.2 国内外研究现状分析11-16
• 1.2.1 终端滑模有限时间控制研究现状11-14
• 1.2.2 终端滑模控制在航天领域的应用14-16
• 1.3 主要内容及章节安排16-17
• 第二章 刚体航天器姿态控制模型及理论分析17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 刚体航天器姿态控制模型17-19
• 2.2.1 参考坐标系17-18
• 2.2.2 刚体航天器姿态运动学模型18-19
• 2.2.3 刚体航天器姿态动力学模型19
• 2.3 控制理论及分析19-22
• 2.3.1 稳定性理论19-20
• 2.3.2 L_2增益干扰抑制理论20-21
• 2.3.3 反步法设计理论21-22
• 2.4 有限时间控制理论22-30
• 2.4.1 有限时间稳定22-23
• 2.4.2 终端滑模控制研究23-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 基于新型非奇异饱和终端滑模的航天器姿态控制31-49
• 3.1 引言31-32
• 3.2 刚体航天器姿态机动建模及分析32-33
• 3.3 新型非奇异饱和终端滑模面33-36
• 3.3.1 非奇异饱和终端滑模设计33-34
• 3.3.2 非奇异饱和终端滑模连续光滑性及分析34-35
• 3.3.3 非奇异饱和终端滑模有限时间收敛性35-36
• 3.4 非奇异饱和终端滑模有限时间控制器设计36-42
• 3.5 仿真结果与分析42-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第四章 基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制49-69
• 4.1 引言49-50
• 4.2 刚体航天器姿态跟踪建模及分析50-52
• 4.3 仅考虑干扰的有限时间控制器设计52-55
• 4.3.1 有限时间积分式滑模设计及分析52-53
• 4.3.2 有限时间姿态跟踪分析53-55
• 4.4 考虑干扰、控制饱和及执行器故障的有限时间姿态跟踪控制55-59
• 4.4.1 姿态跟踪故障建模及分析55-56
• 4.4.2 有限时间姿态跟踪容错控制56-59
• 4.5 仿真结果与分析59-68
• 4.6 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75-76
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果76-77
• 1 已发表或录用或在审的学术论文76
• 2 主要参与的科研项目76-77
• 个人简介77-78
• 附件78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：913657