基于滑模变结构的飞行器姿态控制研究

论文摘要

随着航空航天技术的不断发展,飞行器的姿态控制问题变的越来越重要,人们对其控制问题的稳定性以及控制精度都提出了更高的要求。滑模变结构控制由上世纪50年代前苏联学者Emelyanov首先提出,经Utkin等人进一步完善。由于该控制方法对系统参数摄动和外界扰动具有不变性,即完全鲁棒性,因而引起了人们极大的关注。经过50多年的发展,滑模变结构控制己广泛地应用于机器人、工业控制、航空航天等控制领域。本文基于滑模变结构对飞行器的姿态控制进行了研究,主要工作包含以下几个部分：首先,对飞行器运动学模型的三种描述方法进行了讨论,即方向余弦法、欧拉角法和单位四元数法,并对比了各种方法的优缺点。同时引入并分析了基于欧拉法的飞行器运动学方程。其次,针对基于欧拉法建立的数学模型进行精确线性化并对其线性模型设计了滑模变结构控制器。选取了传统的线性切换函数,利用参考输入和实际输出的偏差设计滑动平面。为了保证系统滑动模态的可达性及趋近运动的良好性能,采用趋近律来设计滑模变结构控制律。并利用Simulink对系统进行仿真,通过跟踪响应图验证了滑模变结构控制器的有效性。再次,考虑到全程滑模控制器的优点：只有滑动模态,而没有趋近模态。本文第五章基于等效控制理论设计了全程滑模变结构控制器。该控制器形式简单,易于实现,并且此控制器消除了传统滑模控制方法的到达运动阶段,克服了未知参数摄动的影响,使系统在整个过程中都具有鲁棒性。最后通过Matlab中的Simulink工具箱对所设计的控制系统进行仿真,仿真结果表明所设计的控制器不仅能够实现准确的姿态控制,而且对飞行器姿态控制中的抖振也起到很好的抑制作用。最后,对本文所做的工作进行了总结,并指出有待进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 飞行器姿态控制的研究背景及意义
• 1.2 飞行器姿态控制方法的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 飞行器数学模型分析
• 2.1 飞行器的运动
• 2.1.1 平移运动
• 2.1.2 旋转运动
• 2.2 飞行器运动的姿态描述
• 2.2.1 方向余弦法（旋转矩阵法）
• 2.2.2 欧拉角法
• 2.2.3 单位四元素法
• 2.3 飞行器姿态的运动学模型
• 2.4 飞行器姿态的动力学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 飞行器数学模型精确线性化
• 3.1 系统模型选取及处理
• 3.2 向量场的Lie导数
• 3.3 飞行器模型精确线性化
• 3.3.1 反馈线性化的基本概念
• 3.3.2 飞行器数学模型的反馈线性化
• 3.4 本章小结
• 第4章 飞行器模型的滑模控制器设计
• 4.1 滑模的基本理论
• 4.2 滑动模态的介绍及选取
• 4.2.1 切换面（滑动面）的设计
• 4.2.2 飞行器数学模型稳定性分析
• 4.3 飞行器模型滑模变结构控制律的设计
• 4.3.1 趋近律简述
• 4.3.2 变结构控制律的设计
• 4.4 系统仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 飞行器模型的全程滑模变结构控制器设计
• 5.1 飞行器系统描述
• 5.2 飞行器模型的全程滑模切换函数设计
• 5.2.1 滑模函数设计
• 5.2.2 全程滑模中滑模参数设计
• 5.3 全程滑模变结构控制律的设计
• 5.4 飞行器全程滑模控制系统滑动模态分析
• 5.5 系统仿真
• 5.5.1 滑动模态参数矩阵和移动参数的求解
• 5.5.2 系统仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢