執(zhí)行機構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，SAR(合成孔徑雷達)衛(wèi)星或光學衛(wèi)星等常需進行姿態(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域的研究熱點之一。另一方面，衛(wèi)星執(zhí)行機構故障的發(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)星中的應用。為此，本文在總結現(xiàn)有姿態(tài)容錯控制研究成果基礎上，基于現(xiàn)代控制理論開展了受外部干擾、不確定轉動慣量

3、、執(zhí)行機構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，其研究內容主要包括以下幾個方面：
　　針對衛(wèi)星常用的執(zhí)行機構，歸納其不確定性為故障與安裝偏差兩大類。根據衛(wèi)星執(zhí)行機構特別是反作用飛輪的動力學特性，細致分析了反作用飛輪故障產生機理，飛輪各部件異常對其產生力矩的影響。在此基礎上，總結飛輪各種可能發(fā)生的故障，建立了反作用飛輪故障數(shù)學模型，為姿態(tài)控制器設計過程中故障的處理提

4、供了模型基礎。同時，也建立了執(zhí)行機構安裝偏差數(shù)學模型，分析了執(zhí)行機構實際產生力矩與作用于衛(wèi)星本體的總控制力矩之間的數(shù)學關系。
　　針對受外部干擾與不確定轉動慣量作用的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)，僅考慮執(zhí)行機構故障，提出了一種基于終端滑模控制理論的有限時間控制方法。首先視執(zhí)行機構部分失效故障、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)行機構所有可能發(fā)

5、生的故障，顯式地考慮執(zhí)行機構控制輸入受限問題，設計了一種自適應終端滑?？刂破鳎ㄟ^應用自適應技術估計了系統(tǒng)不確定性上界并進行了相應的補償。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收斂于半徑可任意小的鄰域范圍內，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重的安裝偏差以及發(fā)生增益、偏差與斜坡變化故障，設計了一種自適應滑模補償控制器。該控制器包含的一個補償控制量能夠實時補償因安裝偏差與故障產生的偏差力矩，同時亦能消除干擾與不確定轉動慣量對姿態(tài)控制性能的影響，從而保證了姿態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)的嚴格有限時間穩(wěn)定性。所設計的兩

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收斂于各自穩(wěn)定平衡點，數(shù)值仿真結果驗證了該補償控制方法的有效性。
　　綜合考慮執(zhí)行機構發(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的衛(wèi)星姿態(tài)跟蹤有限時間控制設計方法。該方法視外部干擾與執(zhí)行機構故障與安裝偏差為總的系統(tǒng)不確定性，應用滑?？刂评碚摰牡刃Э刂圃碓O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實現(xiàn)無