基于扩张状态观测器空间站姿态控制和角动量管理

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1、4SouthChinaUniversityofTechnology博士学位论文基于扩张状态观测器空间站姿态控制和角—«Lhrrd■■rn动厘官理作者姓名_____________nw____________学科专业控制理论与控制工程指导教师孙振东研究员所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2015年4月ESO-basedAttitudeControlandMomentManagementforSpaceStationADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorofPhilosophyCandidate：LiuPingSu

2、pervisor：Prof.SunZhendongSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP273学号：201010102S49华南理工大学傅士学位论文基于扩张状态观测器空间站姿态控制和角动量管理作者姓名：刘萍指饽教帅姓名、职称：孙烺东研宄S申请学位饭别：工学W士学科令业名称：控制理论与控制工程研究方Ri飞行器姿态控制论文»交日期：2015年4月论文答W日®):2015年<月6日1学位技予单位：华闵理工大学学位授予日W:年月H华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明；所呈交的论文是本人在导师的指导

3、下独立进行研究所取得的研究成果#除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品1对本文的研究做出重要贡献的个人和集体*均己在文中以明确方式标明，本人完全*识到本声明的法ik后果由本人承担。怍者签名：哧丨如日期：aw年&月r曰学位论文版权使周授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，Ept研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权雄€L孩华南理工大学^学校有权保#并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和％子版，允许学位论文被査阅（除在保密期内的保密论文外>;学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采

4、用影印、缩印或其它复制手段保存、C编学位论文^本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文屈于*〇保密，在_____年解密后适用本授权书*W不保密，同葸在校H网上发布:，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人#位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入CNKJ《中国知识资源总库》传播学位论文的全部或部分内容。(诚在以上相应方框内:frv”）日期；x.BM：^电子邮箱：联系地址<含_雜i);摘要空间站技术代表着航天技术最全面、最先进的水平，在各国的航天技术发展中得到极大的重视。空间站作为大型复杂的航天器，其质量大外扰强，但长设计寿

5、命要求使得其姿态控制不同于普通航天器。强干扰使得空间站执行机构—制力矩陀螺（ControlMomentGyros,CMGs）会快速饱和而需要频繁卸载，这又会导致燃料的消耗，影响其在轨寿命。如何保证CMG不饱和的情况下完成长期姿态控制，成为了空间站所特有的问题，这也就是空间站姿态控制和角动量管理（AttitudeControlandMomentumManagement，ACMM）需要解决的问题。我国的空间站项目已经立项，对空间站的ACMM控制技术进行攻关也迫在眉睫。目前国内外盛行的ACMM控制器都是基于内模原理(InternalModelPrinciple，IMP

6、)对干扰进行抑制从而实现空间站的姿态控制和角动量管理，其中以国际空间站使用的基于内模原理的LQR算法最为经典。基于目前的研究现状，本文通过设计扩张状态观测器（ExtendedStateObserver，ESO）实时估算补偿干扰，结合LQR算法设计控制律来实现空间站的姿态控制和角动量管理。本文的研究成果和贡献具体如下：（1）首次将扩张状态观测器运用到空间站的姿态控制和角动量管理中。针对空间站的ACMM模型建立了三阶线性扩张状态观测器（LinearExtendedStateObserver，LESO）和非线性扩张状态观测器（NoninearExtendedState

7、Observer，NLESO）估算空间站的姿态、角速度和干扰总和。通过分析空间站实际运行中姿态和角速度可由测量系统提供，扩张状态观测器可降阶优化，设计了更有效率的二阶的LESO和NLESO估算空间站的角速度和总和干扰。并对设计的LESO分析了稳定性。（2）在实际研究中发现，姿态控制和角动量管理通过控制量耦合在一起，使得空间站的干扰补偿完全不同于普通航天器。在控制量中补偿仅加载在AC通道的干扰会导致MM通道引入额外干扰，因此需要在MM通道抵消补偿。文中分析计算了适用于各轴的合理补偿量以保证在抑制干扰的同时能不引起MM通道角动量的积累。在扩张状态观测器基础上结合LQ

8、R控制律，设计了两种合理