SGCMGs驱动的挠性航天器姿态机动控制方法研究

摘要

众所周知，为了减小航天器的质量，延长其使用寿命，对于某些复杂且精度要求高的空间任务，如对地观测和卫星交会等，挠性航天器扮演着越来越重要的角色。同时，作为挠性航天器的执行机构，单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal Control Moment Gyros，SGCMGs)凭借其输出力矩大和动态性能较好等优点，已被广泛应用于航天器姿态机动控制。本文针对SGCMGs驱动的挠性航天器大角度姿态快速机动快速稳定的控制要求，研究SGCMG框架伺服系统跟踪控制、SGCMGs操纵律设计及考虑SGCMGs动力学的挠性航天器姿态控制方法。主要内容和创新点如下: 针对带有未知惯量参数、外部干扰及摩擦非线性的SGCMG框架伺服系统，结合自适应控制、鲁棒控制和有限时间控制的方法，为保证系统跟踪误差能够在有限时间内收敛，设计了一种有限时间自适应鲁棒控制器，对参数摄动具有较好的鲁棒性且抑制了外部干扰对系统的影响，实现了框架伺服系统高精度跟踪控制。进一步地，为了对摩擦非线性进行处理，设计带有期望补偿的自适应鲁棒控制器，同时减小测量信号噪声及外部干扰对系统的不利影响。理论分析和仿真结果验证了所提控制算法的有效性。 针对SGCMGs构型奇异问题，为保证较好的力矩输出精度，在鲁棒伪逆操纵律的基础上，结合奇异值分解的方法，提出了一种改进的变鲁棒系数SGCMGs伪逆操纵律，较好地兼顾SGCMGs的奇异逃避能力和力矩输出精度。为评价操纵律的力矩输出性能，定义了输出力矩误差平方和性能指标。SGCMGs系统和挠性航天器大角度姿态机动仿真验证了所提操纵律的有效性。 针对SGCMGs驱动的挠性航天器姿态控制问题，为减小航天器未知转动惯量、刚柔耦合作用及外部干扰对姿态控制系统的影响，同时考虑SGCMGs动力学，设计了一种SGCMGs驱动的挠性航天器自适应姿态控制器，对参数摄动具有较好的鲁棒性且对外部干扰具有较好的抑制能力。进一步地，为解决执行机构摩擦非线性对系统的不利影响，设计了一种基于RBF神经网络的挠性航天器自适应姿态控制器。为进一步放宽对干扰及耦合效应上界已知的假设条件，提出了一种不依赖干扰上界信息的鲁棒自适应姿态控制器。通过Lyapunov稳定性理论分析和证明了以上三种方法闭环控制系统的稳定性，仿真验证了所提算法的有效性。 针对SGCMGs同时存在摩擦非线性和电磁扰动力矩，挠性航天器系统存在未知转动惯量及外部干扰等问题，提出了一种有限时间自适应鲁棒姿态控制器，分别设计自适应更新律对SGCMGs及航天器未知参数、未知干扰上界进行估计和补偿，使得控制器的设计不依赖参数信息，同时减小外部干扰对系统的不利影响。应用Lyapunov稳定性理论，证明了闭环系统姿态角误差和姿态角速度误差在有限时间内收敛到原点附近的邻域内。对挠性航天器姿态机动控制的仿真结果表明，所提控制器可满足挠性航天器快速机动快速稳定的控制要求。

目录

声明

摘要

图表目录

符号及缩写语说明

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2 CMG框架伺服系统控制研究现状

1．3 SGCMGs操纵律设计研究现状

1．4航天器姿态控制研究现状

1．4．1姿态机动路径规划

1．4．2滑模变结构姿态控制

1．4．3有限时间姿态控制

1．4．4自适应姿态控制

1．4．5考虑执行机构动力学的航天器姿态控制

1．5研究的主要问题

1．6本文主要内容与结构安排

2 SGCMGs驱动的航天器数学模型

2．1姿态描述

2．1．1欧拉角式

2．1．2四元数式

2．2挠性航天器姿态模型

2．2．1基于四元数描述的航天器姿态运动学方程

2．2．2挠性航天器姿态动力学方程

2．3 SGCMGs动力学模型

2．3．1 SGCMG框架伺服系统动力学模型

2．3．2 SGCMG力矩输出原理

2．3．3金字塔构型sGCMGs动力学模型

2．4航天器数学模型参数

2．4．2挠性航天器姿态动力学系统仿真模型参数

2．5本章小结

3 SGCMG框架伺服系统自适应鲁棒控制

3．1框架伺服系统有限时间自适应鲁棒控制

3．1．1预备知识

3．1．2问题描述

3．1．3有限时间自适应鲁棒控制器设计

3．1．4仿真结果与分析

3．2带有期望补偿的框架伺服系统自适应鲁棒控制

3．2．1问题描述

3．2．2带有期望补偿的自适应鲁棒控制器设计

3．2．3仿真结果与分析

3．3本章小结

4改进的变鲁棒系数SGCMGs伪逆操纵律设计

4．1问题描述

4．2改进的变鲁棒系数SGCMGs伪逆操纵律设计

4．2．1改进的变鲁棒系数伪逆操纵律设计

4．2．2仿真结果与分析

4．3本章小结

5 SGCMGs驱动的挠性航天器鲁棒姿态控制

5．1 SGCMGs驱动的挠性航天器自适应姿态控制

5．1．1问题描述

5．1．2 SGCMGs驱动的挠性航天器自适应姿态控制器设计

5．1．3仿真结果与分析

5．2基于RBF神经网络的挠性航天器自适应姿态控制

5．2．1问题描述

5．2．2 SGCMGs驱动的挠性航天器RBF神经网络自适应控制器设计

5．2．3仿真结果与分析

5．3不依赖干扰上界信息的挠性航天器鲁棒自适应姿态控制

5．3．1问题描述

5．3．2 SGCMGs驱动的挠性航天器鲁棒自适应姿态控制器设计

5．3．3仿真结果与分析

5．4本章小结

6 SGCMGs驱动的挠性航天器有限时间姿态控制

6．1．1问题描述

6．1．2 SGCMGs驱动的挠性航天器有限时间自适应鲁棒姿态控制器设计

6．1．3仿真结果与分析

6．2本章小结

7总结与展望

7．1本文主要工作及创新点

7．2研究展望

致谢

参考文献

附录