航天器姿态跟踪系统的自适应滑模控制
卜劭华,宋 斌
(上海宇航系统工程研究所,上海 201108)
摘 要:针对存在不确定惯量矩阵和外干扰的刚体航天器姿态跟踪系统,提出了一种自适应滑模控制方法。首先建立了姿态跟踪误差动力学方程,并对刚体航天器跟踪误差动力学定义了滑模,设计了自适应滑模控制律,该控制律的优点在于可以估计系统不确定块,消除了传统滑模控制中对不确定界的要求。Lyapunov分析表明了提出的自适应滑模控制器确保闭环系统取得渐近稳定性。仿真结果验证了提出的控制策略的有效性。
关 键 词:姿态跟踪;自适应滑模控制;刚体航天器; Lyapunov分析
中图分类号: V 448 文献标识码: A
1 引 言
近年来,航天器姿态控制问题引起了广泛关注,基于Lyapunov的控制[1],基于无源的控制[2],自适应控制[3],神经网络控制[4]以及最优控制[5]都用于航天器姿态控制中。
上述的控制方案是在没有考虑外干扰的前提下,解决了姿态控制问题。然而,实际中存在各种外干扰力矩,包括重力梯度力矩、太阳压力力矩以及其他的环境力矩。近来,非线性H∞控制[6]和反演设计法[7]也用于姿态控制问题。这些研究没有考虑航天器的惯量不确定性。滑模控制是一种鲁棒控制方法,它广泛用于非线性、不确定系统。由于滑模控制具有快的动态响应和对系统不确定性和干扰不敏感的优点,常用于航天器姿态控制中[8,9]。然而,滑模控制方法要求知道不确定性界,而不确定性界在航天器系统中很难预先知道。因此,设计一个自适应滑模控制器处理航天器姿态跟踪系统的不确定性是非常必要的。
本文提出了一个自适应滑模控制器解决存在不确定惯量矩阵和干扰的航天器姿态跟踪问题。
2 跟踪误差动力学
1)动力学和运动学 Γ表示惯性参考坐标系,B表示本体坐标系。刚体航天器旋转动力学方程为[10]
知,采用提出的自适应滑模控制器,保证了存在不确定惯量矩阵和外干扰的闭环系统是稳定的,并取得了好的跟踪性能。图4给出了控制输入u的时间历程。从图4可知,将饱和函数用于提出的控制律避免了控制输入抖动。
5 结 语
本文针对存在惯量不确定性和外干扰的航天器姿态跟踪系统,提出了一种自适应滑模算法。该控制算法不需要知道总不确定界,比传统的滑模控制律更容易实现。理论分析表明,设计的控制算法保证了闭环系统的稳定性,数值仿真结果进一步验证了该算法的有效性。本文设计的自适应滑模姿态跟踪算法,符合工程实际,具有一定的工程应用前景。
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