基于扩张状态观测器的航天器自适应姿态控制

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1、2011年10月中国空间科学技术。第5期ChineseSpaceScienceandTechnology基于扩张状态观测器的航天器自适应姿态控制袁国平史小平李隆(哈尔滨工业大学控制与仿真中心，哈尔滨150001)摘要针对航天器三轴姿态大角度机动时动力学特性耦合强烈的情况，同时考虑外界干扰及执行器的不确定性，根据扩张状态观测器的相关理论，提出了航天器姿态机动的一种自适应输出反馈控制策略。首先，采用动量矩定理和欧拉法建立了航天器的姿态动力学模型。然后，在此基础上，利用扩张状态观测器能够准确地获取航天器三轴问非线性耦合及其他未知的外界干扰信息的能力，设计

2、了一种仅需要姿态角测量值的自适应输出反馈控制律，使航天器在大角度姿态机动的同时能够通过自适应律补偿控制力矩的输出偏差。仿真结果表明，在多种任务模式下，航天器都可以很好地完成姿态机动任务，从而验证了控制律的正确性和有效性。关键词扩张状态观测器自适应控制输出反馈姿态机动非线性系统航天器DOI：lO．3780／j．issn．1000—758X．2011．05．0021引言目前，许多空间任务(例如对地观测)要求航天器具有良好的姿态机动性能。航天器迅速、精确地完成机动任务可以增加其使用范围，获得更多的有用信息。但航天器在姿态机动中滚转、俯仰和偏航三轴运动相互

3、耦合影响，是一个典型的非线性问题，控制器综合难度大。另外，航天器在运行期间，不可避免地会受到各种环境力矩的干扰。同时，航天器执行部件安装误差等因素造成输出力矩的偏差也会影响姿态控制精度。因此，寻求一种控制律使航天器能够在各种不确定性下快速完成姿态机动任务成为研究热点之一。自抗扰控制器(ADRC)是一种几乎不依赖于受控对象模型的非线性控制算法，具有良好的鲁棒性和处理非线性问题的能力。它包含跟踪微分器，扩张状态观测器(ES0)和非线性反馈等技术u。3]。作为核心技术的扩张状态观测器，除能够对系统状态进行观测外，还能精确地估计出系统的非线性及外界干扰信息

4、，在航天器控制研究中得到了广泛的应用。文献[4]将ADRC应用于带挠性太阳翼的航天器偏航轴的姿态稳定控制。文献Es]提出了一种双闭环的ADRC，利用该算法实现挠性航天器的高精度姿态稳定控制。文献E61利用ADRC研究了三通道的姿态机动控制问题，并对控制器参数进行了整定。文献1-73针对柔性多体航天器，利用自抗扰算法，实现了姿态稳定控制。文献[83将ESO和模糊自适应控制相结合，设计了带转动部件的挠性卫星的姿态稳定控制算法。针对航天器的姿态机动问题，本文利用ES0能够准确地获取航天器三轴间非线性耦合及其他未知外界干扰信息的能力，设计了一种仅需要姿态角

5、测量值的自适应输出反馈控制律；在此基础上，利用Lyapunov方法对系统的稳定性进行了分析；最后，将提出的方法应用于航天器多轴同时机动的姿态控制问题。收稿日期：2010—10-20。收修改稿日期：2011一03—1110中国空间科学技术2011年10月2模型的建立本文考虑的航天器近似为刚体，由动量矩定理，可将其动力学方程写成。J南+s(∞)Jco=H(￡)+d(￡)(1)式中．，一diag(J：．，，J。)为沿航天器本体主惯量轴的转动惯量矩阵；∞=[魄∞，cc，：]T是航天器相对惯性坐标系的瞬时转速在本体坐标系中的矢量；口(z)=[‰“，U。]T为

6、控制力矩矢量；d(￡)=[以d，d。]T为作用在星体上的外干扰力矩矢量。定义斜对称矩阵_s(∞)为fo～。∞，]s(∞)=I∞：0一魄f(2)【一∞，∞：0J采用3—1—2转序的欧拉角描述航天器的姿态，其运动学方程为}～J咖h芦瑚10=(My+tang(oj,sin0一∞。cos0)}．(3)函=(一∞，sin0+cc，。cos0)／cos9J式中9，0，驴分别为航天器的滚转、俯仰和偏航角。由式(1)和式(3)可知，当航天器进行大角度机动时，其动力学方程是耦合非常强的非线性系统，直接利用非线性理论进行控制器综合的难度很大。这时，可以把复杂的动力学模

7、型分成3个子通道，即滚转通道、俯仰通道和偏航通道[8-93。2．1滚转通道模型取岛一[z。。．17。：]T一[驴刃T，得滚转通道的模型x。=Azx。+BzU。七l：(~幻式中铲[：孙炉[㈣榭；丘=[∞驴譬⋯cos口+警甜缸i坩+(一魄sin0+∞。cos0)0。2．2俯仰通道模型取工，=[z，-z卯]T=[口曰]T，得俯仰通道模型xy=A，X，+B，Uy+jr,(5)式中铲[㈡汕=[，甜L=[甜厶=譬⋯c讲F1”sec2劬×(魄si加一魄cos口)；o--tan9(魂si的+魄cos卯一0。cosO+∞。sin00)。2．3偏航通道模型取也一[z：

8、。z以]T一[≯幻T，得偏航通道模型主。=A：善。+B。U。+正(6)式中铲[矧㈣2cos0／曼。∥。¨=[甜厶2譬⋯器+