基于变结构自适应控制方法的小卫星姿态控制研究

论文摘要

从20世纪80年代美国军方提出现代小卫星的概念以来,现代小卫星由于具有重量轻、性能好、研制周期短、造价低等优点,成为目前航天器发展的一个重要方向。姿态控制系统是小卫星完成各种任务的基本前提,是小卫星的关键技术和研究重点。本文主要针对小卫星姿态控制系统进行了研究。首先给出了欧拉角和姿态四元数的相关理论,系统的总结了欧拉角和四元数两种卫星姿态描述方法,建立了小卫星动力学、运动学模型。针对目前运用于小卫星姿态控制系统研究的滑模变结构控制方法和自适应控制方法进行了改进,并将两种方法结合起来进行了研究。并分别用Matlab实现仿真验证。针对小卫星运动时存在参数摄动,非线性强的特点,设计滑模变结构控制器:选取适当的滑模向量使滑动模态渐近稳定;设计滑模控制律,保证系统状态在有限时间内运动到滑动模态上。用饱和特性取代开关项以减小振颤。针对用四元数法建立的小卫星姿态动力学及运动学方程有强的非线性耦合,设计了一种基于反馈线性化的模型参考自适应姿态控制器。首先运用反馈线性化方法,将小卫星姿态通道线性化解耦成三个单输入单输出系统,然后运用基于李雅普诺夫稳定性理论的模型参考自适应控制方法对每个系统分别设计自适应控制器,使非线性系统跟踪线性参考模型系统、实现对参数摄动和外部扰动的鲁棒性、跟踪预期的姿态。进一步设计了一种基于滑模变结构和参数自适应算法的姿态控制器:对前面设计的滑模变结构控制器进行了改进;同时针对由于外界影响造成系统参数难以确定的问题,引入了系统参数自适应算法。改进的控制算法能够使得系统在参数不能确定的情况下仍能保持良好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 背景及研究目的和意义
• 1.3 卫星姿态控制系统概述
• 1.4 小卫星姿态控制方法研究现状
• 1.4.1 变结构控制的发展
• 1.4.2 自适应控制的发展
• 1.5 本文研究的主要内容及章节安排
• 第二章 卫星姿态控制系统的数学模型
• 2.1 参考坐标系与坐标变换
• 2.1.1 参考坐标系
• 2.1.2 坐标变换
• 2.2 姿态描述
• 2.2.1 欧拉角描述
• 2.2.2 四元数描述
• 2.2.3 欧拉角和四元数的关系
• 2.3 姿态运动学方程
• 2.3.1 欧拉角运动学方程
• 2.3.2 四元数运动学方程
• 2.4 姿态动力学方程
• 2.5 姿态敏感器和执行机构
• 2.5.1 姿态敏感器
• 2.5.2 执行机构
• 2.6 卫星控制仿真框架
• 2.7 本章小结
• 第三章 小卫星滑模变结构控制系统设计
• 3.1 滑模变结构控制理论及其设计方法
• 3.1.1 滑模变结构控制的定义
• 3.1.2 滑动模态的存在和到达条件
• 3.1.3 滑模变结构控制匹配条件及不变性
• 3.1.4 滑模变结构控制的抖振问题
• 3.1.5 滑模控制器设计基本方法
• 3.1.6 滑模变结构控制系统的稳定性分析
• 3.2 滑模变结构控制系统设计
• 3.2.1 变结构控制器设计
• 3.2.2 仿真算例
• 3.2.3 结论
• 第四章 小卫星自适应控制系统设计
• 4.1 自适应控制理论及其设计方法
• 4.1.1 自适应控制的定义
• 4.1.2 自适应控制的基本内容及分类
• 4.2 自适应控制系统设计
• 4.2.1 小卫星姿态运动的反馈线性化
• 4.2.2 模型参考自适应控制器的设计
• 4.2.3 仿真算例
• 4.2.4 结论
• 第五章 小卫星变结构自适应控制系统设计
• 5.1 变结构控制器设计
• 5.2 自适应算法
• 5.3 仿真算例
• 5.4 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者读硕期间发表的学术论文和科研情况