基于滑模变结构的挠性航天器姿态控制研究

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1、学校代码：10406分类号：V448.2学号：120085233005南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）基于滑模变结构的挠性航天器姿态控制研究硕士研究生：魏秦导师：王琦教授申请学位级别：硕士学科、专业：航天工程所在单位：飞行器工程学院答辩日期：2015年06月授予学位单位：南昌航空大学SlidingmodeattitudecontrolforflexiblespacecraftADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnAerospaceEngineeringBy

2、WeiQinUndertheSupervisionofAssociateProf.WangQiCollegeofAircraftEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune,2015摘要随着航天技术的不断发展，新一代的航天器都有向结构的大型化、结构的轻量化上发展，越来越多的航天器都带有各式各样的大型挠性结构，如大面积的太阳能电池阵、机械臂、大面积的雷达天线等。这些挠性结构往往具有低频、密模、强几何非线性等动力学特征，其在外层空间特殊物理环境的作用下

3、，在航天器本身做轨道机动、姿态机动以及挠性部件自身做伸展运动时，都将难以避免的产生挠性振动。这类振动会给航天器带来严重的危害，轻则导致航天器任务失效，重则严重威胁航天器的安全，导致灾难性的后果。因此，寻求一种既能进行姿态控制，又能抑制挠性结构振动的强鲁棒性的控制方法，具有非常重要的理论意义和工程实际应用意义。针对挠性航天器姿态控制问题，为避免控制空间下的奇异性问题，采用四元数法来表示航天器姿态的运动学方程；运用拉格朗日方程为理论基础，建立中心刚体并带有挠性附件的复杂航天器动力学方程，最后给出了简化的，基于混合坐标的

4、挠性航天器的姿态动力学方程。滑模变结构控制作为控制系统的一种综合方法，对满足匹配条件的外部扰动和参数的不确定性不敏感，具有良好的鲁棒性等优点，这使得其备受重视，在航天器姿态控制上得到了广泛的应用。首先利用Lypaunov直接法，设计出了滑模变结构姿态控制器，并针对滑模变结构控制中存在的抖振问题，进行了改进优化；将滑模变结构控制中原有的开关函数项，用“反正切”函数来代替，抑制系统内的颤振；通过引入滞后项，来减小刚开始机动时，会需要较大的控制力矩，因此来削弱挠性附件的抖振。运用MATLAB软件进行数值仿真，将仿真结果进

5、行横向对比。最后结果表明，改进后的控制律相比传统的控制律，拥有更好的性能，适用于挠性航天器实现更有效的姿态控制，并抑制了挠性附件的抖振，且控制器具有良好的鲁棒性。关键词：挠性航天器；姿态控制；误差四元数；滑模变结构控制；抖振抑制IABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofspacetechnology,thelatestgenerationspacecraftaretendingtobedevelopedinlarge-scaleandlightweightofthestructu

6、re,nowmoreandmorespacecraftcamewithvariouslargeflexiblestructure,suchaslarge-sizesolarbatterypanels,mechanicalarms,large-sizeradaraerialandetc.Thedynamiccharacteristicsoftheseflexiblestructuretendtobelow-frequency,densemodelandstronggeometricnonlinearity,Thefl

7、exiblechatteringcan’tbeavoidwhenthespacecraftisdoingorbitalmaneuverandattitudemaneuver,aswellaswhentheflexibleaccessoriesareconductingthestretchingmovementundertheaffectionofthespecialphysicalenvironmentofoutspace.Suchchatteringwillbringthespacecraftseriousdam

8、age,abettersituationistocausethefailureofspacecraftmission,andaseriousonecanthreatenthesafetyofthespacecraft,leadingtoadisastrousconsequence.Therefore,seekingacontrollingmethodwhic