卫星姿态大角度机动的非线性控制律方法的研究

论文摘要

本文对基于反作用飞轮的卫星大角度姿态机动控制系统的非线性方法进行了研究和实验仿真。根据卫星大角度姿态机动控制非线性的特点以及对控制系统的要求,通过非线性理论设计了三种控制器:基于Lyapunov的反馈控制器、变结构控制器和自适应鲁棒控制器,并通过仿真验证了控制律的实效性。首先,用四元素方法代替欧拉角方法描述卫星运动学模型的思想,进一步引入了误差四元素描述卫星姿态运动学模型,同时对卫星姿态的转化关系进行了推导说明,为本文进一步的研究打下了模型的基础。然后,通过经典的Lyapunov方法设计了控制律,从理论上严格缜密的证明了控制系统的全局稳定性。在Matlab环境下对不同的参数值和考虑惯量不确定性方面进行仿真验证,最后得出控制律不依赖于参数值且具有良好的鲁棒特性的结论。其次,研究了基于变结构理论的控制律设计方法。在选择切换面时,选用二次型最优法,它保证了滑模运动在欧拉参数和角速度二次型性能指标方面最优。同时将滑动模态的稳定性进行了证明,设计了基于一般趋近律的滑模控制律并进行了鲁棒性分析;为了获取飞行器大角度机动控制问题更好的性能,在喷气控制辅助的条件下,进一步设计了以等效控制方法为基础的滑模控制律。最后对所设计的控制系统进行了仿真分析,从仿真结果看出,控制系统具有全局稳定性和较好的鲁棒性。等效控制方法设计的变结构控制有比基于趋近律方法设计的变结构有更好的性能。最后,设计了一种自适应鲁棒控制器,先是设计了控制律保证了系统运动的稳定性,然后再根据自适应反步设计法,以非线性阻尼算法作为航天器控制的未建模与干扰力矩的补偿。最后通过对卫星控制系统的仿真验证了所设计控制器的可行性。该控制器的优点在于既实现了卫星惯量参数的估计,又克服了外干扰力矩的不确定性的影响,设计思路简单,控制器易于实现。因此该控制器在实际应用中具有很大的工程价值,符合工程实际。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 最优控制方法
• 1.2.2 变结构控制方法
• 1.2.3 鲁棒控制方法
• 1.2.4 自适应控制方法
• 1.2.5 Lyapunov方法
• 1.3 卫星控制系统
• 1.3.1 姿态确定系统
• 1.3.2 姿态稳定控制系统
• 1.3.3 姿态机动控制
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 卫星姿态描述及动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 航天器的姿态运动学
• 2.2.1 常用参考坐标系
• 2.2.2 卫星姿态的欧拉角描述
• 2.2.3 卫星姿态的四元素描述
• 2.3 欧拉角与四元素之间的转换
• 2.4 飞行器运动学模型
• 2.5 飞行器姿态动力学模型
• 2.6 空间力矩
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于Lyapunov方法的卫星姿态机动控制律设计
• 3.1 引言
• 3.2 卫星姿态大角度机动基于误差四元素的控制律设计
• 3.2.1 建立大角度误差四元素系统模型
• 3.2.2 误差四元素描述的运动学公式结论
• 3.2.3 控制器的设计
• 3.3 数学仿真
• 3.3.1 控制律方法的数学仿真与分析
• 3.3.2 控制律的鲁棒性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于变结构方法的卫星姿态机动控制律设计
• 4.1 引言
• 4.2 变结构控制基础
• 4.2.1 变结构模型的数学描述
• 4.2.2 滑动模态的存在及可达条件
• 4.2.3 滑模变结构控制趋近律
• 4.2.4 等效控制及滑模运动
• 4.2.5 滑模变结构控制系统的抖振问题
• 4.3 变结构控制器的设计
• 4.3.1 切换函数的设计
• 4.3.2 基于趋近律的控制器的设计
• 4.3.3 等效控制控制器的设计
• 4.4 控制律的仿真
• 4.4.1 基于趋近律的仿真
• 4.4.2 等效控制的仿真
• 4.5 本章总结
• 第5章 卫星姿系统的自适应鲁棒控制
• 5.1 引言
• 5.2 自适应反推法
• 5.3 自适应鲁棒控制器的设计
• 5.4 控制系统的仿真
• 5.4.1 自适应反推法
• 5.4.2 自适应鲁棒控制
• 5.5 各种方法比较与结论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢