基于T-S模型的航天器姿態(tài)模糊控制問(wèn)題研究.pdf

1、姿態(tài)控制系統(tǒng)是航天器諸多系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)。多種類型航天任務(wù)的順利實(shí)現(xiàn)很大程度上依賴于姿態(tài)控制系統(tǒng)。航天器的自主姿態(tài)控制適用于多種無(wú)人航天任務(wù),具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前,對(duì)航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)要求越來(lái)越高,尤其表現(xiàn)在航天器高精度控制、高可靠性等。然而,航天器姿態(tài)控制性能不僅取決于姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件配置,姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)的好壞也直接影響到姿態(tài)控制性能指標(biāo)的優(yōu)劣。本文針對(duì)航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程,從姿態(tài)模型建立、控制律設(shè)計(jì)以及控制參數(shù)選取等系

2、列問(wèn)題進(jìn)行探索與研究,提出一套切實(shí)可行的控制律設(shè)計(jì)方法,主要完成以下幾方面工作。
　　首先,考慮到一般姿態(tài)控制系統(tǒng)研究多集中在穩(wěn)定性問(wèn)題上,沒(méi)有考慮或不能同時(shí)滿足多個(gè)性能指標(biāo)的要求。然而,隨著空間任務(wù)的發(fā)展,對(duì)航天器姿態(tài)控制已不僅需要滿足單一性能指標(biāo),同時(shí)應(yīng)該對(duì)空間環(huán)境的擾動(dòng)、輸入約束和機(jī)動(dòng)時(shí)間等方面進(jìn)行綜合考慮?；诖?綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擾動(dòng)抑制、輸入約束和響應(yīng)速度衰減等,提出一種基于線性矩陣不等式(LMI)的具有多指標(biāo)約束

3、的模糊控制方法。為了達(dá)到較好地逼近航天器姿態(tài)系統(tǒng)非線性的目的,構(gòu)建了航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)Takagi-Sugeno(T-S)模型。將滿足不同單一目標(biāo)的線性矩陣不等式統(tǒng)一到同一個(gè)線性矩陣不等式組,從而使多指標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)MI的凸優(yōu)化問(wèn)題。論文以三種情況進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)對(duì)擾動(dòng)抑制率、響應(yīng)衰減率等多指標(biāo)優(yōu)化選取,使姿態(tài)控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的干擾抑制能力。
　　其次,在實(shí)際航天器姿態(tài)控制中,系統(tǒng)狀態(tài)信息可能出現(xiàn)不能完全精

4、確獲得的情況,進(jìn)而造成控制系統(tǒng)性能下降。同時(shí),考慮到高精度的姿態(tài)敏感器又比較昂貴。本文考慮到航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化,基于航天器姿態(tài)T-S模糊模型,提出了一種航天器保性能輸出反饋控制方法。將航天器姿態(tài)與控制輸入二次型成本函數(shù)作為模糊閉環(huán)系統(tǒng)的性能指標(biāo),得到了較小的保性能上界。使得保性能控制器對(duì)所有允許的參數(shù)不確定性魯棒,閉環(huán)模糊系統(tǒng)魯棒漸近穩(wěn)定,既保證了航天器姿態(tài)具有良好的過(guò)渡過(guò)程,又滿足航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩的約束條件。
　　再次,

5、航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)核心問(wèn)題是安全性和可靠性。只有建立航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制機(jī)制,才能夠順利實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)的自主控制,并使之在較長(zhǎng)時(shí)間與復(fù)雜工作環(huán)境下順利完成預(yù)定的飛行任務(wù)?；诖?本文研究了基于T-S模糊模型的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)傳感器故障和執(zhí)行結(jié)構(gòu)故障模式下容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先,提出了一種針對(duì)存在擾動(dòng)情況下傳感器故障估計(jì)和補(bǔ)償方法。將傳感器故障作為輔助狀態(tài)向量,建立增廣描述系統(tǒng)。通過(guò)模糊觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)故障估計(jì),利用提出

6、的故障補(bǔ)償方法,使得航天器在發(fā)生姿態(tài)傳感器故障的情況下,通過(guò)補(bǔ)償可以獲得正確的測(cè)量信息,系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行。其次,提出了一種執(zhí)行器故障下考慮控制輸入約束、極點(diǎn)配置的多指標(biāo)條件下的滿意容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)方法。在執(zhí)行器發(fā)生較嚴(yán)重的增益故障情況下,本文給出的控制律仍然較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器姿態(tài)的控制,滿足多指標(biāo)的要求。
　　本文最后研究了基于T-S模型的具有時(shí)滯的航天器姿態(tài)模糊魯棒控制。針對(duì)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,提出一種基于T-S模型的