執(zhí)行機構(gòu)故障且安裝存在偏差的衛(wèi)星姿態(tài)有限時間控制.pdf

1、為完成對地成像、偵查與通訊等在軌任務(wù)，SAR(合成孔徑雷達(dá))衛(wèi)星或光學(xué)衛(wèi)星等常需進(jìn)行姿態(tài)跟蹤控制操作，其載荷順利工作要求衛(wèi)星能夠提高較高的姿態(tài)跟蹤控制指向精度與穩(wěn)定度。而在軌衛(wèi)星不可避免地受到未知外部干擾與不確定系統(tǒng)參數(shù)等作用，這些均將對姿態(tài)控制性能產(chǎn)生一定影響。因此，考慮外部干擾與參數(shù)不確定性問題，如何設(shè)計姿態(tài)控制系統(tǒng)提高姿態(tài)控制性能一直是近年來航天控制領(lǐng)域的研究熱點之一。另一方面，衛(wèi)星執(zhí)行機構(gòu)故障的發(fā)生也將對姿態(tài)控制安全性與可靠性提

2、出挑戰(zhàn)。雖然諸多學(xué)者提出了眾多姿態(tài)容錯控制方法來處理故障，并保證系統(tǒng)具有可接受的姿態(tài)控制性能，但它們并沒有考慮執(zhí)行機構(gòu)安裝偏差問題；特別地，這些容錯控制方法大多數(shù)僅能保證姿態(tài)控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，即理論上需無限長時間才能實現(xiàn)完成姿態(tài)控制操作，保證姿態(tài)、角速度收斂于穩(wěn)定平衡點。此無限長的收斂時間將限制這些方法在姿態(tài)需快速機動控制的衛(wèi)星中的應(yīng)用。為此，本文在總結(jié)現(xiàn)有姿態(tài)容錯控制研究成果基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代控制理論開展了受外部干擾、不確定轉(zhuǎn)動慣量

3、、執(zhí)行機構(gòu)存在安裝偏差與故障的高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)跟蹤有限時間控制研究，實現(xiàn)姿態(tài)、角速度跟蹤誤差的有限時間穩(wěn)定控制，其研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：
　　針對衛(wèi)星常用的執(zhí)行機構(gòu)，歸納其不確定性為故障與安裝偏差兩大類。根據(jù)衛(wèi)星執(zhí)行機構(gòu)特別是反作用飛輪的動力學(xué)特性，細(xì)致分析了反作用飛輪故障產(chǎn)生機理，飛輪各部件異常對其產(chǎn)生力矩的影響。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)飛輪各種可能發(fā)生的故障，建立了反作用飛輪故障數(shù)學(xué)模型，為姿態(tài)控制器設(shè)計過程中故障的處理提

4、供了模型基礎(chǔ)。同時，也建立了執(zhí)行機構(gòu)安裝偏差數(shù)學(xué)模型，分析了執(zhí)行機構(gòu)實際產(chǎn)生力矩與作用于衛(wèi)星本體的總控制力矩之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。
　　針對受外部干擾與不確定轉(zhuǎn)動慣量作用的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)，僅考慮執(zhí)行機構(gòu)故障，提出了一種基于終端滑?？刂评碚摰挠邢迺r間控制方法。首先視執(zhí)行機構(gòu)部分失效故障、外部干擾與安裝偏差為總的系統(tǒng)不確定性，基于魯棒控制思想，設(shè)計了一種終端滑模控制器保證姿態(tài)控制對此系統(tǒng)不確性具有良好的魯棒性。而后，針對執(zhí)行機構(gòu)所有可能發(fā)

5、生的故障，顯式地考慮執(zhí)行機構(gòu)控制輸入受限問題，設(shè)計了一種自適應(yīng)終端滑?？刂破鳎ㄟ^應(yīng)用自適應(yīng)技術(shù)估計了系統(tǒng)不確定性上界并進(jìn)行了相應(yīng)的補償。基于Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了兩控制器均能保證姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)是實際有限時間穩(wěn)定的，姿態(tài)、角速度跟蹤誤差在有限時間內(nèi)收斂于半徑可任意小的鄰域范圍內(nèi)，在實現(xiàn)外部干擾抑制控制的同時亦能實現(xiàn)對不確定轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)的魯棒控制。
　　研究了采用反作用飛輪控制且飛輪存在故障與安裝偏差的衛(wèi)星跟蹤控制問題，提出

6、一種補償控制設(shè)計方法。首先針對反作用飛輪安裝數(shù)目具有冗余特性這一配置情況，設(shè)計了一種滑模控制器實現(xiàn)姿態(tài)跟蹤全局漸近控制。而后，針對采用三個反作用飛輪控制的衛(wèi)星，考慮飛輪存在較為嚴(yán)重的安裝偏差以及發(fā)生增益、偏差與斜坡變化故障，設(shè)計了一種自適應(yīng)滑模補償控制器。該控制器包含的一個補償控制量能夠?qū)崟r補償因安裝偏差與故障產(chǎn)生的偏差力矩，同時亦能消除干擾與不確定轉(zhuǎn)動慣量對姿態(tài)控制性能的影響，從而保證了姿態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)的嚴(yán)格有限時間穩(wěn)定性。所設(shè)計的兩

7、種控制器均能保證姿態(tài)、角速度跟蹤誤差在有限時間內(nèi)收斂于各自穩(wěn)定平衡點，數(shù)值仿真結(jié)果驗證了該補償控制方法的有效性。
　　綜合考慮執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生所有可能的各種類型故障以及其安裝存在偏差等問題，提出了一種基于不確定性估計技術(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤有限時間控制設(shè)計方法。該方法視外部干擾與執(zhí)行機構(gòu)故障與安裝偏差為總的系統(tǒng)不確定性，應(yīng)用滑模控制理論的等效控制原理設(shè)計終端滑模觀測器估計此系統(tǒng)不確定性。與現(xiàn)有滑模估計方法相比，該觀測器能夠在有時限間內(nèi)實現(xiàn)無