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有限时间航天器姿态机动控制研究

作　者: 张振霞
导　师: 胡庆雷
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 航天器 有限时间 终端滑模 安装误差 输入饱和
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


伴随航天科技的发展，对能够快速机动的航天器的需求逐渐增多。一方面，复杂的航天任务要求机动的快速性，但是系统的收敛形式一般为渐近收敛；另一方面，在姿态机动过程中，航天器的挠性附件振动和燃料的消耗等等都会引起转动惯量的不确定性和时变性，在轨航天器也不可避免的会受到外界环境的各种干扰的影响；此外，执行机构在安装时，不可避免的会存在安装误差，且执行机构由于本身的物理特性，使得执行器具有饱和的非线性特性。针对上面所述的问题，研究航天器的姿态机动在存在转动惯量不确定性、外界干扰、执行机构安装误差和输入饱和多种约束的情况下有限时间收敛的控制性能显的十分重要。主要研究内容如下：本文首先分别基于欧拉定理和Lagrange理论构建了挠性航天器的姿态运动学、动力学方程，并简单给出了有限时间稳定性的相关概念和判定定理，为下文的控制器的设计分析奠定了基础。针对航天器的姿态机动有限时间控制问题，本文首先在假设挠性模态较小且干扰有界的情况下对航天器的数学模型进行转化，然后在考虑转动惯量不确定性和外界干扰的情况下，基于终端滑模控制方法设计了有限时间机动控制器；考虑到执行机构存在的不可避免的安装误差，对上述控制器进行改进，通过引入自适应方法对误差角进行学习估计设计了改进的有限时间机动控制器。上述控制器的设计都引入了符号函数，为了克服符号函数引起的高频震荡，使用饱和函数进行了替换，并通过有限时间Lyapunov稳定性定理证明了上述控制器设计的合理性。针对实际系统中的转动惯量不确定性和外界干扰的上界不能精确获知的情况，通过对航天器进行假设近似处理，并通过自适应控制律对未知参数进行在线估计设计了自适应有限时间控制器。由于执行机构自身的物理特性，使得它的输出力矩总是有限的，考虑到执行机构的这种饱和非线性特性，同时将执行机构的安装误差也考虑在内，在上述控制器的基础上，设计了输入受限的自适应有限时间控制器，最后通过改进的有限时间Lyapunov稳定性定理证明了上述控制器的设计可以保证系统在最终有限时间收敛到包含滑模面的一个稳定域内。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 课题的来源及研究目的和意义  9-10
    1.1.1 课题的来源  9
    1.1.2 课题研究目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状与分析  10-20
    1.2.1 姿态机动控制的研究现状及分析  11-14
    1.2.2 有限时间控制方法  14-17
    1.2.3 输入受限的控制方法  17-20
  1.3 本文的主要研究内容和写作安排  20-22
第2章 挠性航天器数学建模及预备知识  22-33
  2.1 引言  22
  2.2 参考坐标系  22-26
    2.2.1 坐标系的定义  22-23
    2.2.2 坐标系之间的转换  23-26
  2.3 挠性航天器数学模型的建立  26-27
    2.3.1 航天器姿态运动学方程  26-27
    2.3.2 航天器姿态动力学方程  27
  2.4 喷气推力器的分配  27-29
  2.5 控制理论基础  29-32
    2.5.1 有限时间稳定性理论  29-31
    2.5.2 终端滑模变结构  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章 航天器姿态机动有限时间控制研究  33-47
  3.1 引言  33-34
  3.2 基于 FTSM 的有限时间姿态机动控制器设计  34-40
    3.2.1 控制器设计  34-35
    3.2.2 稳定性分析  35-36
    3.2.3 仿真结果与分析  36-40
  3.3 考虑执行机构安装误差的有限时间姿态控制器设计  40-46
    3.3.1 控制器设计  42-43
    3.3.2 仿真结果分析  43-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章 输入受限的航天器姿态机动有限时间控制研究  47-64
  4.1 引言  47-48
  4.2 自适应有限时间姿态机动控制器设计  48-55
    4.2.1 控制器设计  48-52
    4.2.2 仿真结果分析  52-55
  4.3 输入受限的自适应有限时间姿态机动控制器设计  55-63
    4.3.1 控制器设计  55-59
    4.3.2 仿真结果分析  59-63
  4.4 本章小结  63-64
结论  64-66
参考文献  66-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制
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