深空探测器高精度姿态容错控制研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX146学科分类号：081101硕士学位论文深空探测器高精度姿态容错控制研究研究生姓名苏伟伟学科、专业控制理论与控制工程研究方向容错控制指导教师齐瑞云教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonhighprecisionfault-to

2、lerantattitudecontrolfordeepspaceprobeAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbySuWeiweiAdvisedbyProf.QiRuiyunSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加

3、以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要登陆月球，探测火星，人类对未知宇宙的探索孜孜不倦；浩瀚星空，神秘银河，人类对深空探测的热情方兴未艾。随着深空探测的快速发展，对深空探测器的姿态控

4、制要求也越来越高。而深空探测器往往体型庞大，结构复杂，而且工作环境恶劣，干扰繁多；同时，各工作元件长时间运行很有可能发生故障，而一旦发生故障，势必会对姿态控制系统产生不良影响，轻则导致控制性能下降，重则导致整个探测任务失败。因此，为深空探测器设计具有强鲁棒性的高精度姿态容错控制系统是一项极具挑战性与研究意义的课题。故本文以深空探测器为研究对象，考虑其受到外界未知干扰影响以及内部存在转动惯量不确定性，并同时考虑其执行机构发生多重故障与存在安装偏差的情况，对姿态控制系统的高精度控制与容错控制进行了重点

5、研究。首先，介绍了本课题的研究背景与意义，阐述了深空探测的发展与研究现状，并系统地概述了深空探测器姿态控制技术的研究现状，指出了现有研究方法应用到深空探测器上可能存在的不足之处，并据此确立了本文研究方向与重点。其次，研究了深空探测器姿态控制系统的数学模型。其中，首先介绍了深空探测器姿态描述所需要的常用坐标系，接着对工程应用以及理论研究中常用的姿态描述方法进行了简要的介绍，然后在这个基础上相继建立起深空探测器的运动学方程以及动力学方程，最后分析了深空探测器姿态控制系统中常见的故障并对其进行了数学建模

6、。然后，考虑了深空探测器存在的外界未知干扰与转动惯量不确定性，分析这两者对姿态控制系统控制精度的影响，设计了一种对外部未知干扰以及内部未知扰动具有强鲁棒性的高精度姿态控制器。通过将本文所提出的姿态控制方法与现有文献里的姿态控制方法进行仿真比较，验证了本文提出的姿态控制器具有更快的收敛速率与更高的姿态控制精度。最后，在所设计的高精度姿态控制器的基础上，进一步考虑了执行机构同时发生部分失效故障与偏差故障，并且存在安装偏差下的高精度姿态容错控制问题。针对深空探测器反作用飞轮的不确定性，提出了一种新的控制

7、器设计方法，可以处理更大的安装偏差，同时具有更高的控制精度，并给出了所设计的姿态容错控制器的适用范围，明确了其可以处理的最大安装偏差。通过与其他姿态容错控制方法相比较，表明了所设计的姿态容错控制器能够处理的安装偏差范围更大，而且具有更高的控制精度。在仿真验证中，分别对比了三种故障情况下的控制器性能进行了仿真对比，验证了所设计的姿态容错控制器的有效性及优越性。关键词：深空探测器，高精度姿态控制，反作用飞轮故障，安装偏差，容错控制I深空探测器高精度姿态容错控制研究AbstractWiththedeve

8、lopmentofspacetechnologies,deepspaceexplorationhasbecomeanewcentralissueofaeronauticandastronauticinmanycountries.Attitudecontrollerdesignfordeepspaceprobes(DSP)isakeytechnologyforthesuccessfulimplementationofdeepspaceexploration(DSE),whichgiv