基于分数阶理论气浮台姿态控制系统设计

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1、国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.52密级：公开工程硕士学位论文基于分数阶理论的气浮台姿态控制系统设计硕士研究生：庞慧导师：宋申民教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：控制理论与制导技术研究中心答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C.:681.52DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringDESIGNOFATTITUDECONTROLSYSTEMFORAIR-FLOATINGPLATFORMBASEDONF

2、RACTIONALORDERTHEORYCandidate：PangHuiSupervisor：Prof.SongShenminAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation:CenterforControlTheoryandGuidanceTechnologyDateofDefence:July,2013Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学全日制工程

3、硕士学位论文摘要在探索外太空的今天，地面气浮仿真系统是模拟航天器在空间中交会对接、高精度姿态控制、轨道快速机动、故障诊断等技术的重要手段。本文所研究的实验室地面气浮仿真平台在功能上分为测量部分和控制部分，针对气浮仿真系统的姿态控制部分，将近年来新兴的分数阶理论应用于控制器设计，分别设计了分数阶PID控制器和分数阶滑模控制律，并针对不同情况下的仿真情形进行仿真验证。首先，对实验室的气浮仿真平台进行控制系统建模，推导出简化的动力学模型；给出了修正罗德里格参数(MRPs)描述气浮台的姿态运动方程，并推导修正罗德里格参数和欧拉角的相互转换关系。针对地面仿真试验平台系

4、统，计算仿真平台的转动惯量，以便控制器设计应用于仿真时能够更加接近实际系统。其次，介绍了分数阶微积分的定义、常用基本性质以及部分实际系统的分数阶微积分表达式。使用改进的Oustaloup滤波器方法对分数阶微积分算子进行近似化和离散化，以此为MATLAB仿真中的数值实现手段，在此基础上针对姿态控制模型，分别设计了分数阶PID控制器和分数阶滑模控制律。以空间中航天器控制实现为基准，分别设计了无角速度反馈的分数阶PID控制器和有角速度反馈的分数阶PID控制器，并针对两种情况进行仿真。对比仿真结果可得，在全状态信息可知下，姿态控制系统的控制精度更高、收敛过程

5、更快，具有更好的控制品质。将转动惯量加入不确定性、控制力矩加入干扰，再对系统进行仿真，结果证明分数阶PID控制器对系统建模参数的不确定性和外加力矩干扰具有鲁棒性。在传统滑模控制的滑模面和滑模控制律中引入分数阶微分算子，利用分数阶系统以及滑模控制的优势，针对姿态控制模型设计分数阶滑模控制。首先将系统分别在整数阶滑模和分数阶滑模的控制下进行仿真，对比仿真结果分析可知，后者的控制精度和收敛速度都要优于前者。然后将转动惯量的不确定性和外加干扰力矩加入，再次进行仿真，得出分数阶滑模控制下的系统在建模参数不确定和有外力矩干扰下的控制效果仍然要优于整数阶滑模的控制效果。

6、关键词：气浮仿真平台；分数阶微积分；PID；分数阶滑模-I-哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文AbstractTodayintheexplorationofouterspace,thegroundflotationsimulationsystemisthemainmeansofsimulatingspacecraftrendezvousanddocking,high-precisionattitudecontrol,railrapidmobilityandfaultdiagnosistechnologyinspace.Inthispapergroundflo

7、tationsimulationplatformfunctionallydividesintomeasurementandcontrolparts.Thispaperdesignssimulationsystemforflotationattitudecontrolsectiontowhichfractionaltheoryemerginginrecentyearsisapplied.ThecontrollersarefractionalPIDcontrollerandfractionalslidingcontrollaw.Andtheyareverifie

8、dbysimulatio