挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstrOnauticaSinicaSep．252012V01．33No．91697—1705ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn文章编号：10C06893(2012)09—1697—09挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制刘敏，徐世杰。，韩潮北京航空航天大学宇航学院，北京10019l摘要：针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题，提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性，并设计了具有理想控制性能的参考

2、模型；然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律，使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出；最后退一步，对具有参数不确定特性的动力学子系统，基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论，设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器，并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，所提控制方法能有效抑制挠性附件的振动，对挠性航天器的控制是有效的。关键词：挠性航天器；不确定性；姿态控制；退步控制；非线性直接自适应控制；正实性中图分类号：V448．22+3文献标识码：A现代航天器通常带有太阳能电池帆板、空问机械臂、天线、桁架等大型挠性部件，这些部件的振动与航天器的

3、姿态运动产生耦合会影响航天器姿态控制的精度，甚至会危害到航天器的正常运行[1]。所以近几十年来，大型挠性航天器的姿态控制一直是航天领域研究的热点之一。针对此问题，专家们提出了诸如基于状态变量的Riccati方程方法心3以及滑模变结构控制等[3。43控制方法，然而上述方法均依赖航天器的参数信息，或需设计模态观测器H]。而挠性航天器具有因燃料消耗以及太阳帆板、机械臂等机构的运动而造成的系统参数不确定性，挠性部件模态坐标维数高不可直接用于控制器设计的特点，所以上述控制方法较难满足参数不确定挠性航天器的姿态控制精度要求。直接自适应控制(DirectAdaptiveContr01)是由

4、Sobel等[51首先提出的一类基于参考模型的自适应控制方法。其结构简单、不依赖被控对象参数、能实现低阶控制器对高阶甚至任意阶被控对象的控制，且闭环系统稳定性仅依赖被控对象的近似严格正实(AlmostStrictlyPositiveReal，ASPR)L60性，因而在挠性空间结构控制领域得到广泛的研究[7州，但直接自适应控制在航天器姿态控制领域的研究受到航天器系统的强非线性和非近似严格正实性的限制。虽然文献[-10]和文献[11]研究了刚体航天器的直接自适应姿态控制，但是他们并没有考虑挠性部件振动对航天器姿态控制的影响，也没有分析航天器系统的近似严格正实性。退步控制方法是由K

5、anellakopoulos等口纠首先提出并广泛应用于线性系统以及非线性系统的一类递推控制器设计方法，其最大的特点为可以将高相对阶被控对象分解成低相对阶子系统并设计递推控制器n3。14

6、。本文利用退步控制方法处收稿日期：2012．02—24；退修El期：2012-03—18；录用日期：2012—04·12；网络出版时问：2012-04—1710：04网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929V．20120417。1004．007，htmI基金项目：国家自然科学基金(10902003)*通讯作者．Tel：010-82339275E-mail：

7、starsjxu@yahoocom．cn引用格武tLluM，xusJ．HanC．Directadaptiveattitudetrackingcontrolofflexiblespacecra厅basedonbacksteppingmethod．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica．2012．33(9)：1697-1705刘蕺，徐世杰．韩潮挠性航天器的退步直接台适应姿态跟踪控钢航空学强，2012，33(9)：1697-1705．航空学报Sep．252012VoI33No．9理高相对阶被控对象的灵活性，将非近似严格正实的挠性航天器系统分解成低相

8、对阶的动力学子系统以及非线性的运动学子系统，并验证了动力学子系统的近似严格正实性，然后基于非线性直接自适应控制理论[1阳和退步控制方法，设计了挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制器。通过对不同仿真初始值下的仿真结果进行分析和比较，验证了该控制器可有效抑制挠性振动并实现对参数不确定挠性航天器的有效控制。1问题描述挠性航天器姿态动力学方程可以描述为m1而+2{f∞t白+∞}叩+F1／o=0(2)下描述的姿态控制力矩；tl=[孕孕⋯孕]7为社[-曼--d曼Oz一刳㈤jx—Apx+Bpu+，(驯⋯‘I4，l∞