【摘要】：現(xiàn)代航天事業(yè)的發(fā)展,要求航天器具有較高的姿態(tài)控制精度,同時要求航天器的姿態(tài)能夠盡快地收斂到平衡點。然而,一方面航天器在軌工作時會受到來自內外的多種干擾,包括來自外界的干擾力矩,以及航天器模型參數(shù)不確定帶來的影響,從而影響航天器的控制精度;另一方面,現(xiàn)有的很多研究成果都只能保證系統(tǒng)平衡點處的漸近穩(wěn)定,姿態(tài)控制誤差理論上需要無限長的時間才能收斂到平衡點。針對以上問題,本文將深入研究存在內外部干擾的航天器姿態(tài)有限時間控制問題,主要內容包括如下的幾個方面:在傳統(tǒng)滑模面的基礎上,本文在滑模面中引入分數(shù)次冪項,設計了一種適用于航天器姿態(tài)跟蹤的新型終端滑模面。針對新型終端滑模面可能存在的奇異問題,對其加以改進得到非奇異終端滑模面。理論分析可知,改進后的終端滑模面不存在奇異問題,而且可以實現(xiàn)有限時間收斂至平衡點。本文運用改進的非奇異終端滑模面,設計了基于自適應魯棒的航天器姿態(tài)有限時間控制器。通過引入三組自適應參數(shù),實現(xiàn)了對系統(tǒng)總干擾上界的實時在線估計,將估計得到的系統(tǒng)總干擾上界應用于控制器中的魯棒項,使控制器設計時不需要已知內外干擾信息。理論分析證明了該控制器的有限時間穩(wěn)定性,數(shù)值仿真表明該控制器具有較強的魯棒性和較高的控制精度。本文運用改進的非奇異終端滑模面,設計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡逼近的航天器姿態(tài)有限時間控制器。通過Chebyshev神經(jīng)網(wǎng)絡,實現(xiàn)了對系統(tǒng)總干擾的逼近,并在控制器中對系統(tǒng)總干擾加以補償,從而極大程度地避免了內外干擾對姿態(tài)控制的影響。理論分析證明了該控制器的有限時間穩(wěn)定性,數(shù)值仿真表明該控制器實現(xiàn)了對姿態(tài)的高精度控制。針對基于自適應魯棒的航天器姿態(tài)有限時間控制器和基于神經(jīng)網(wǎng)絡逼近的航天器姿態(tài)有限時間控制器各自的控制性能特點,通過引入切換函數(shù),兩種控制器分別在不同的控制階段發(fā)揮主導作用,設計得到了自適應魯棒與神經(jīng)網(wǎng)絡逼近相結合的航天器姿態(tài)有限時間控制器。理論分析證明了該控制器的有限時間穩(wěn)定性,數(shù)值仿真表明該控制器充分發(fā)揮了兩種控制方法各自的優(yōu)勢,控制器既有較快的收斂速度,又有很高的控制精度。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.22
【圖文】：

基于自適應魯棒的控制器的仿真結果（姿態(tài)穩(wěn)定控制，不考慮輸出力矩飽和）

- 34 -d)控制力矩圖 3-3 基于自適應魯棒的控制器的仿真結果（姿態(tài)跟蹤控制，不考慮輸出力矩飽和）以上兩組圖分別展示了在姿態(tài)穩(wěn)定控制和姿態(tài)跟蹤控制時，應用控制器(3-27)的姿態(tài)控制結果，包括航天器的誤差四元數(shù)、誤差角速度、滑模量以及控制力矩的變化情況。數(shù)值仿真分析可知，在存在內外干擾的情況下，所設計的控制器可以使系統(tǒng)狀態(tài)誤差在有限時間內收斂至原點附近的小鄰域內。所設計的控制器通過引入自適應參數(shù)和自適應更新律，實現(xiàn)了對系統(tǒng)總干擾上界的在線估計，使控制器設計時不再需要已知干擾信息；同時，將慣量矩陣與角速度的耦合項納入系統(tǒng)總干擾，使控制器中不含慣量矩陣，從而使航天器姿態(tài)控制避免受到系統(tǒng)參數(shù)的不確定性的影響。數(shù)值仿真表明，控制器具有較快的收斂速度、較高的控制精度及較強的魯棒性。針對姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤兩種控制情況，誤差四元數(shù)、誤差角速度和滑模量的控制精度，以及達到穩(wěn)定狀態(tài)時的控制力矩大小如表 3-1 所示。

d)控制力矩圖 3-5 基于自適應魯棒的控制器的仿真結果（姿態(tài)跟蹤控制，考慮輸出力矩飽和）以上兩組圖分別展示了考慮執(zhí)行機構輸出力矩飽和時，針對姿態(tài)穩(wěn)定控制和姿態(tài)跟蹤控制兩種情況，應用控制器(3-27)的姿態(tài)控制結果，包括航天器的誤差四元數(shù)、誤差角速度、滑模量以及控制力矩的變化情況。執(zhí)行機構輸出力矩上下限 0.5N mau 和 0.5N mbu 的引入，使姿態(tài)收斂時間由原來的 5s 增加到50s ，這是控制力矩幅值受限減小的必然結果；但隨著姿態(tài)的收斂，控制律所得到的力矩幅值減小，執(zhí)行機構輸出力矩將不再飽和，因此執(zhí)行機構輸出力矩上下限的引入不會影響姿態(tài)控制精度。理論分析與數(shù)值仿真結果都表明，執(zhí)行機構輸出力矩上下限的引入增加了姿態(tài)收斂的時間，但并不會影響姿態(tài)控制的精度，在存在干擾和執(zhí)行機構控制力矩限制的情況下，所設計的控制器仍可以使系統(tǒng)狀態(tài)誤差在有限時間內收斂至原點附近的小鄰域內，仍可以達到如表 3-1所示的控制精度。三組自適應參數(shù)實現(xiàn)了對系統(tǒng)總干擾上界的估計，圖 3-6 展示了考慮執(zhí)行機構輸出力矩飽和的情況下，應用控制器(3-27)進行姿態(tài)跟蹤控制時，三組自適

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本文編號：2812245