摘 要:针对刚体卫星的姿态调节问题,提出了一种滑模PID控制器设计方法.根据李亚普诺夫方法,推导出了采用PID形式的切换面的滑模PID控制器.在卫星转动惯量参数存在不确定性和存在外干扰时,该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究.结果表明,所设计的控制方案在实现姿态调节控制的同时,对于卫星转动惯量的摄动及外部扰动力矩是鲁棒的.
关键词:姿态调节;滑模PID控制;修正罗德里格参数
滑模控制是一种处理非线性控制问题的有效方法.滑模变结构控制本质是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性.这种方法
与其他控制不同在于系统的结构并不固定,而是在动态过程中,根据系统当前的状态有目的变化,使得系统按照预定滑动模态的状态轨迹.由于滑
动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,使得滑模控制具有快速、对参数变化不敏感、物理实现简单等优点.正是由于具有不依赖于外部扰动和内部参数的摄动的优点,滑模变结构已在卫星的姿态控制上得到了广泛的应用[1~7].本文首先给出卫星动力学方程以及由修正罗德里格参数(MRP)描述的运动学方程.针对卫星的姿态调节问题,在外干扰存在下,考虑了惯量矩阵精确已知和存在不确定性两种情况,设计了滑模PID控制器.在控制器中引入积分环节可以减小常值干扰引起的稳定误差.一般在控制律中显示的考虑积分环节,会给系统稳定分析与控制器综合带来困难.本文提出了滑模PID姿态控制算法,选取带有积分项的滑模面,依据滑动模态可到达条件进行控制器的求取,给出了闭环系统稳定性证明,能够保证系统是渐近稳定的.最后对姿态调节系统进行数学仿真验证,结果表明了所设计的滑模PID控制算法是行之有效的.
1 卫星数学模型
2 姿态调节滑模PID控制器设计
2·1 惯量矩阵精确已知时的控制器设计考虑惯量矩阵精确已知和干扰有界时的滑模PID控制器的设计.
2·2 惯量矩阵不确定时控制器设计
由于卫星有效载荷的运动、太阳帆板的展开及其转动、喷气的消耗等因素都将导致转动惯量的实时变化,并且通常不能精确获知,标准的综合模型除了包含名义对象外,还应包括摄动快.
采用PID形式做切换面的滑模PID控制器,有效的解决了卫星姿态调节问题.在外干扰下,考虑转动惯量精确已知和存在不确定性两种情况,采用Lyapunov方法推导出了控制器,证明了在一定条件下闭环系统的零平衡点是渐近稳定的.
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