【摘要】：隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星與人類生活息息相關(guān),在軌運(yùn)行衛(wèi)星空間任務(wù)的完成離不開姿態(tài)控制系統(tǒng)的作用。在軌衛(wèi)星結(jié)構(gòu)復(fù)雜,長時間處于工作狀態(tài),任務(wù)多樣化,并且不可避免的受到強(qiáng)輻射、太陽光壓等惡劣環(huán)境的影響,執(zhí)行機(jī)構(gòu)極易出現(xiàn)故障。一旦執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障,衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可控性及穩(wěn)定性將明顯降低,甚至出現(xiàn)失控的可能性,進(jìn)而造成人力,物力及財力損失,并產(chǎn)生空間碎片等重大安全隱患。目前,學(xué)者們對在軌期間衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的容錯控制策略的研究主要集中在衛(wèi)星正常在軌運(yùn)行階段,并未考慮姿軌耦合的影響;對于軌道調(diào)控階段,軌道調(diào)控推力影響下的的姿態(tài)容錯控制研究則相對較少。區(qū)別于其他階段,撓性衛(wèi)星進(jìn)行軌道調(diào)控時,軌道調(diào)控推力會激起星上相關(guān)撓性附件的振動,從而對星體的姿態(tài)運(yùn)動與質(zhì)心運(yùn)動造成影響,并引起衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動與軌道運(yùn)動的耦合;因此,衛(wèi)星姿態(tài)受到軌道推力干擾的影響極大,并且該干擾力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他階段;除了大干擾、強(qiáng)耦合的特點外,該階段姿態(tài)控制系統(tǒng)還具有非線性及參數(shù)時變性和不確定性的特點。在該背景下,為了保障軌道調(diào)控階段衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,本文考慮了參數(shù)不確定性、內(nèi)外未知干擾及控制輸入受限等非線性因素,針對慣性定向姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤兩大控制問題,展開了執(zhí)行器故障情形下的軌道調(diào)控期間衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)容錯控制方法研究。具體研究內(nèi)容包含以下四個方面:建立了軌道調(diào)控期間撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的姿態(tài)動力學(xué)模型和姿態(tài)運(yùn)動學(xué)模型,并基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,給出了姿態(tài)跟蹤模型,為后續(xù)姿態(tài)穩(wěn)定控制及姿態(tài)跟蹤控制提供理論基礎(chǔ);此外,分析了姿態(tài)控制系統(tǒng)中故障產(chǎn)生的原因,并將幾種常見的執(zhí)行器故障類型歸納為乘性故障和加性故障兩大類,給出了執(zhí)行器故障的模型并進(jìn)行了總結(jié)。為了解決執(zhí)行器部分失效故障及系統(tǒng)內(nèi)、外干擾力矩影響條件下軌道調(diào)控期間撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的容錯控制問題,在無執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余備份的條件下,提出了一種基于非線性干擾觀測器的Backstepping自適應(yīng)姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤容錯控制策略。首先基于精確魯棒微分器理論,設(shè)計了非線性干擾觀測器來抵消干擾的影響;在此基礎(chǔ)上,考慮執(zhí)行器部分失效故障,將Backstepping方法和自適應(yīng)控制相結(jié)合設(shè)計了魯棒補(bǔ)償項,利用自適應(yīng)控制方法對故障參數(shù)進(jìn)行估計,解決了故障失效參數(shù)最小值難以獲得的問題,并實現(xiàn)故障條件下的姿態(tài)穩(wěn)定和跟蹤的性能。此外,為了提高姿態(tài)控制的精度,在姿態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,以壓電元件為主動振動抑制的執(zhí)行器,基于最優(yōu)二次型方法針對撓性結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)設(shè)計了撓性振動抑制控制器,從而在兼顧控制系統(tǒng)性能和控制輸入的情況下對撓性結(jié)構(gòu)的彈性振動進(jìn)行有效地抑制。最后,將所設(shè)計Backstepping自適應(yīng)姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤容錯控制方法用于撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng),仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計的容錯控制方案均能滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分失效故障條件下的容錯性能,并能有效抑制撓性結(jié)構(gòu)振動。在綜合考慮星體轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)攝動及內(nèi)、外部干擾的情況下,研究了執(zhí)行機(jī)構(gòu)多類型故障(包括常值故障、完全失效故障、部分失效故障、偏差故障及斜坡變化故障)的衛(wèi)星姿態(tài)容錯控制問題,在反作用飛輪冗余配置的條件下,將滑模控制理論與自適應(yīng)控制理論相結(jié)合,提出一種滑模自適應(yīng)姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)跟蹤容錯控制器設(shè)計方法。該方法不僅繼承了滑�？刂频膬�(yōu)點,能夠有效處理內(nèi)、外干擾及轉(zhuǎn)動慣量不確定性所帶來的影響,而且通過自適應(yīng)參數(shù)的引入,降低了控制器的復(fù)雜程度并避免了控制參數(shù)選擇的麻煩;此外,為了避免傳統(tǒng)滑�？刂浦蟹柡瘮�(shù)帶來的“抖振”問題,提出了一種基于雙曲正切函數(shù)的改進(jìn)滑模自適應(yīng)容錯控制策略。改進(jìn)后的容錯控制算法的仿真結(jié)果表明,基于雙曲正切函數(shù)的滑模自適應(yīng)容錯控制策略在具有良好容錯性能的同時還能有效抑制“抖振”現(xiàn)象。針對內(nèi)、外干擾影響、轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)不確定性及執(zhí)行器發(fā)生多種故障的軌道調(diào)控期間衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng),進(jìn)一步考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸入控制受限這一實際問題,提出了一種基于雙曲正切函數(shù)的改進(jìn)滑模姿態(tài)容錯控制方法。該方法通過引入雙曲正切函數(shù),顯式的考慮了執(zhí)行器的控制輸入受限幅值,從而將輸入力矩限定在幅值內(nèi)。同時,該方法針對線性滑模和時變非線性滑模這兩種情況展開深入研究,提出了一種基于定常參數(shù)的改進(jìn)線性滑模自適應(yīng)容錯控制方法和一種基于時變參數(shù)的改進(jìn)非線滑模自適應(yīng)容錯控制方法,這兩種容錯控制方法均利用自適應(yīng)控制策略對控制器中的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,提高了控制系統(tǒng)對模型參數(shù)、系統(tǒng)擾動、“抖振”及故障變化的適應(yīng)能力。通過對姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真,驗證了本章所設(shè)計的容錯控制算法能有效改善控制輸入受限對控制系統(tǒng)的影響而且能夠?qū)崿F(xiàn)故障條件下姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及跟蹤能力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V448.22
，

本文編號：2413977