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空天飞行器的姿态控制及欠驱动控制研究

作　者: 李英
导　师: 井元伟
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 空天飞行器姿态控制反馈线性化全局快速终端滑模控制 (w,z)参数 Backstepping滑模控制
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空天飞行器(ASV)是各国目前大力发展的新型航空航天飞行器,对其姿态系统的控制具有重要意义。ASV姿态系统是非线性、强耦合及多输入多输出的系统,且飞行环境复杂,通常要受各种干扰因素的影响,因此ASV姿态控制系统设计成为一项极具挑战的研究课题。围绕这一问题,本文在空天飞行器建模、姿态运动控制器设计以及欠驱动状态下控制系统的设计三个方面进行了较为深入的研究。首先,对ASV进行了受力分析,给出了ASV的质心运动动力学方程和绕质心转动的动力学方程,以及作用于在ASV上的外力矩表达式,得到ASV的数学模型,并将其写成了三通道的具体形式,对后面的控制器设计奠定了模型基础。其次,针对ASV姿态系统的非线性、强耦合和不确定性,提出了一种全局快速终端滑模控制方法。文中先基于反馈线性化方法将ASV姿态系统解耦成三个独立的子系统；然后应用全局快速终端滑模控制方法分别设计了各子系统的姿态控制器；最后,通过仿真验证了方法的有效性,同时在外加干扰的情况下,系统仍能够保持稳定,说明该方法对干扰确实具有鲁棒性。最后,针对两个飞轮的欠驱动刚性航天器,研究了姿态控制问题。在零动量的假设下,利用Backstepping滑模控制方法,为基于(w,z)参数描述的欠驱动姿态控制系统设计了一个新型的姿态控制器。通过仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题的研究背景、目的和意义  9-11
    1.1.1 课题背景  9-10
    1.1.2 课题的研究目的和意义  10-11
  1.2 现代先进飞行控制方法的研究现状  11-15
    1.2.1 增益预置  12-13
    1.2.2 反馈线性化  13
    1.2.3 轨迹线性化  13-15
    1.2.4 滑模变结构  15
  1.3 本文的主要研究内容  15-17
第2章滑模控制理论及ASV姿态控制模型  17-27
  2.1 Terminal滑模控制和全局滑模控制理论  17-18
  2.2 (w,z)参数姿态描述法  18-20
  2.3 ASV姿态系统数学模型的建立  20-26
    2.3.1 作用在ASV上的力和力矩  20-22
    2.3.2 ASV姿态的动力学方程  22-24
    2.3.3 ASV姿态的运动学方程  24-25
    2.3.4 ASV姿态控制系统的数学模型  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 ASV全局快速终端滑模控制  27-49
  3.1 空天飞行器姿态模型的反馈线性化处理  27-32
    3.1.1 ASV姿态模型的处理  27-29
    3.1.2 ASV姿态模型的解耦处理  29-32
  3.2 ASV姿态运动的全局快速终端滑模控制  32-37
    3.2.1 全局快速终端滑模变结构控制器设计  32-35
    3.2.2 到达时间分析  35-37
  3.3 仿真研究  37-47
    3.3.1 仿真实例  37-44
    3.3.2 仿真对比  44-47
  3.4 本章小结  47-49
第4章基于飞轮的欠驱动ASV反演滑模控制  49-57
  4.1 数学模型的建立  49-51
    4.1.1 动力学模型  49-50
    4.1.2 运动学模型  50-51
  4.2 欠驱动反演滑模控制器的设计  51-53
    4.2.1 期望角速度的设计  52
    4.2.2 控制律的设计  52-53
  4.3 仿真研究  53-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章结论与展望  57-59
参考文献  59-63
致谢  63

空天飞行器的姿态控制及欠驱动控制研究

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