深空绳系卫星系统有限时间姿态控制方法研究

摘要

随着航天事业的不断发展，采用多体航天器编队进行深空探测是当前空间技术发展的一种新趋势。多体绳系卫星系统作为航天器编队中的一种特殊形式，具有控制精度高、响应速度快以及节约燃料等优点。因此本文以国家自然基金课题“深空环境下绳系卫星动力学建模与控制研究”为研究背景，讨论了深空受外界干扰和系统不确定性影响的多体旋转绳系卫星系统姿态控制问题。基于此，本文的主要研究内容总结如下：
　　首先采用Euler-Lagrange方法建立多体旋转绳系卫星系统姿态动力学模型，然后依据模型简化理论对该模型进行简化解耦，从而建立分布式多体旋转绳系卫星系统姿态运动方程。基于该方程，考虑系统受外界干扰和系统不确定性影响，首先研究基于自适应非奇异终端滑模的多体旋转绳系卫星系统鲁棒有限时间姿态控制问题。为防止控制器出现奇异问题并保证系统实际有限时间稳定和快速响应，选取经典的非奇异终端滑模面。利用自适应技术对外界干扰和系统不确定进行粗略的估计和补偿，加强绳系卫星系统的鲁棒性。应用该基于自适应非奇异终端滑模的有限时间姿态控制方案进行数值仿真，验证了该控制方案的有效性。
　　接着深入研究基于干扰观测器的快速非奇异终端滑模多体旋转绳系卫星系统姿态控制问题。为了让控制器不会出现奇异现象，而且还可以加快系统状态的收敛速度，控制方案采用修正的快速非奇异终端滑模面。同时，为了进一步降低外界干扰和系统不确定性对系统的影响，并提高控制精度，设计干扰观测器对外界干扰和系统不确定性进行观测。基于Lyapunov方法证明了姿态控制系统能在有限时间内稳定，滑模面在有限时间收敛到零的邻域内。数值仿真证明了所设计的第二种控制算法的有效性和优越性。
　　最后为完成多体旋转绳系卫星系统姿态控制，设计基于干扰观测器的自适应有限时间输出反馈控制器。相比终端滑模控制器，有限时间输出反馈控制算法具有不存在奇异问题，并且控制器表达形式更为简洁，通用性更强的优点。为使姿态控制器中可调参数不依赖于干扰观测器的观测性能，引入自适应律对干扰观测器的最终收敛邻域进行估计。根据Lyapunov方法和有限时间技术，证明该控制器可以实现高性能的实际有限时间姿态跟踪，并且为控制器参数调节提供了理论依据。最后通过数值仿真验证了控制算法的有效性。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3多体TSS研究中存在的问题

1.4本文的主要研究内容

第2章 深空TSS动力学及预备知识

2.1引言

2.2预备知识及相关引理

2.3深空多体旋转TSS动力学

2.4多体旋转TSS动力学模型处理

2.5本章小结

第3章 基于非奇异终端滑模的TSS有限时间姿态控制

3.1引言

3.2自适应非奇异终端滑模有限时间控制器设计

3.3深空TSS非奇异终端滑模有限时间姿态控制器设计

3.4仿真分析

3.5本章小结

第4章 基于观测器和快速非奇异终端滑模的TSS有限时间姿态控制

4.1引言

4.2干扰观测器设计

4.3基于观测器的快速非奇异终端滑模有限时间控制器设计

4.4深空TSS基于干扰观测器的滑模有限时间姿态控制器设计

4.5仿真分析

4.6本章小结

第5章 基于观测器的TSS有限时间输出反馈姿态控制

5.1引言

5.2基于干扰观测器的有限时间输出反馈控制器设计

5.3深空TSS基于干扰观测器的有限时间反馈姿态控制器设计

5.4仿真分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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