基于T-S模型的航天器姿態(tài)模糊控制問題研究.pdf

1、姿態(tài)控制系統(tǒng)是航天器諸多系統(tǒng)中非常重要的一個子系統(tǒng)。多種類型航天任務(wù)的順利實現(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)控制適用于多種無人航天任務(wù),具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前,對航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)要求越來越高,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)計的好壞也直接影響到姿態(tài)控制性能指標的優(yōu)劣。本文針對航天器姿態(tài)機動過程,從姿態(tài)模型建立、控制律設(shè)計以及控制參數(shù)選取等系

2、列問題進行探索與研究,提出一套切實可行的控制律設(shè)計方法,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)定性問題上,沒有考慮或不能同時滿足多個性能指標的要求。然而,隨著空間任務(wù)的發(fā)展,對航天器姿態(tài)控制已不僅需要滿足單一性能指標,同時應(yīng)該對空間環(huán)境的擾動、輸入約束和機動時間等方面進行綜合考慮?；诖?綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擾動抑制、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)的具有多指標約束

3、的模糊控制方法。為了達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的線性矩陣不等式統(tǒng)一到同一個線性矩陣不等式組,從而使多指標控制器的設(shè)計轉(zhuǎn)化為LMI的凸優(yōu)化問題。論文以三種情況進行對比分析,通過對擾動抑制率、響應(yīng)衰減率等多指標優(yōu)化選取,使姿態(tài)控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較強的干擾抑制能力。
　　其次,在實際航天器姿態(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,進而造成控制系統(tǒng)性能下降。同時,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,得到了較小的保性能上界。使得保性能控制器對所有允許的參數(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)具有良好的過渡過程,又滿足航天器執(zhí)行機構(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)計的另一個核心問題是安全性和可靠性。只有建立航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)容錯控制機制,才能夠順利實現(xiàn)航天器姿態(tài)的自主控制,并使之在較長時間與復(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)故障模式下容錯控制器的設(shè)計問題。首先,提出了一種針對存在擾動情況下傳感器故障估計和補償方法。將傳感器故障作為輔助狀態(tài)向量,建立增廣描述系統(tǒng)。通過模糊觀測器實現(xiàn)故障估計,利用提出

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