三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制算法研究.pdf

1、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)中的重要組成部分。衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度不僅取決于姿態(tài)控制系統(tǒng)硬件配置的性能與精度，還與所采用的姿態(tài)控制算法密切相關(guān)。本文針對(duì)三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的姿態(tài)控制問(wèn)題，從理論和應(yīng)用的角度對(duì)姿態(tài)控制算法作了深入細(xì)致的研究。主要完成了以下幾方面的工作：
　　建立了衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型。在衛(wèi)星的各種姿態(tài)描述中，鑒于修正羅德里格參數(shù)(MRP)與其映射集的聯(lián)合可以實(shí)現(xiàn)全局的非奇異姿態(tài)描述，本文所有的控制算法設(shè)計(jì)都是建立在第2章中給出衛(wèi)星

2、動(dòng)力學(xué)方程及由MRP描述的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的基礎(chǔ)上。采用基于Lyapunov穩(wěn)定性分析的非線性控制方法，針對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制中存在的實(shí)際問(wèn)題提出了相應(yīng)的控制算法。
　　針對(duì)控制輸入受限問(wèn)題，在衛(wèi)星的姿態(tài)和角速度信息可測(cè)的情況下，設(shè)計(jì)了姿態(tài)調(diào)節(jié)和姿態(tài)跟蹤控制器。首先給出了干擾有界時(shí)的姿態(tài)控制算法，當(dāng)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)滿足一定條件時(shí)，可以保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性和控制受限的要求。同時(shí)，該控制方案是一種模型獨(dú)立的控制方法，不依賴(lài)于衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

3、量。接著提出了引入線性飽和函數(shù)的姿態(tài)調(diào)節(jié)和姿態(tài)跟蹤控制算法，在控制輸入受限的同時(shí)也是角速度受限的。最后利用雙曲正切函數(shù)的性質(zhì)和MRP自身的性質(zhì)，分別設(shè)計(jì)了控制輸入受限情況下的姿態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤控制算法。對(duì)于姿態(tài)跟蹤控制問(wèn)題，考慮其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)不確定性問(wèn)題，又分別設(shè)計(jì)了非自適應(yīng)和自適應(yīng)控制方案，并且給出了基于遺傳算法的控制參數(shù)優(yōu)化算法。
　　針對(duì)輸出反饋控制問(wèn)題，僅考慮衛(wèi)星的姿態(tài)可測(cè)量的情況，設(shè)計(jì)了姿態(tài)調(diào)節(jié)和姿態(tài)跟蹤控制算法。所設(shè)計(jì)的控

4、制算法主要是通過(guò)構(gòu)建動(dòng)態(tài)濾波器，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)需角速度信號(hào)的輸出反饋控制，即由MRP描述的姿態(tài)和構(gòu)建的濾波器狀態(tài)的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。其中部分輸出反饋方案由于引入了雙曲正切函數(shù)和飽和函數(shù)，還能考慮控制力矩幅值受限的問(wèn)題。對(duì)提出的每一種算法，通過(guò)Lyapunov穩(wěn)定性分析，均能保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性，能很好地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)和姿態(tài)跟蹤控制任務(wù)。
　　考慮衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定和干擾力矩存在的情況下，設(shè)計(jì)了姿態(tài)調(diào)節(jié)和姿態(tài)跟蹤控制算法?？紤]到滑

5、模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)，首先提出了滑模自適應(yīng)姿態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤控制算法，能夠?qū)τ薪绺蓴_進(jìn)行有效抑制，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)時(shí)辨識(shí)。接著提出了滑模PID姿態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤控制算法，通過(guò)理論分析證明了對(duì)有界干擾和慣量參數(shù)變化具有魯棒性。最后提出了自適應(yīng)姿態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)了控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證閉環(huán)系統(tǒng)在有界干擾下是輸入到狀態(tài)穩(wěn)定的，并針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不確定情況給出了自適應(yīng)辨識(shí)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的辨識(shí)。
　　論文以某型衛(wèi)星為工程背景對(duì)所