对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252015V01．36No．51639-1649ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计陈炳龙，耿云海*哈尔滨Z-业大学卫星技术研究所，哈尔滨150080摘要：为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务，基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的白适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用，建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型，并

2、在此基础上设计了自适应Supertwisting控制器，以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应，使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性，并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明，与Supertwisting算法相比，所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性，且控制精度满足在轨服务的任务需求。关键词：航天器在轨服务；滑模控制；自适应控制；相对平动；相对转动；有限时间收敛；鲁棒性中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)05—1639—11空间在轨

3、服务由紧密合作的在轨活动组成，包括在轨监测、交会对接、装配和维修等，目的是延长航天器的运行寿命[1]。未来在轨服务任务需要航天器能够自主执行交会对接操作，甚至会涉及对非合作失控航天器进行在轨服务比]。在近距离接近过程中，航天器间发生碰撞的概率会随着间距的减小而逐渐增大，因此交会过程中各个阶段的相对运动模型被广泛关注[3]。基于不同的相对运动模型，发展出了相应的控制策略，例如自适应算法‘44]、最优控制‘6。7]、滑模算法‘81等。众所周知，滑模控制不但独立于系统动力学模型，而且对不确定性及有界干扰具有较强的鲁棒性凹]。但是，标准滑模算法由于控制器的高频转换会产生震颤

4、效应，从而限制了它的应用范围。由20世纪末发展至今的消除和减弱震颤的方法主要有3种口⋯：①利用饱和函数替代非连续控制器，但系统轨迹并未真正到达滑模面，只是在其附近的邻域内，因而在一定程度上减弱了对干扰的鲁棒性；②利用高阶滑模技术[1¨，通过计算滑模状态对时间的高阶导数使滑模变量及其导数收敛到零，但该方法的计算量会随着相对阶数的增加而增大；③利用变增益控制算法，即自适应滑模控制，根据不确定性和干扰的影响效果来改变增益的数值。对于高阶滑模算法，目前成功地应用于实际系统中的只有二阶滑模控制器[12

5、。然而，在所有二阶滑模算法之中，只有Supertwisting(ST)算法

6、不需要计算滑模变量对时间的导数，但其抑制线性增长有界干扰的能力有限。因此，将ST控制器与自适应方法相结合，设计变增益的自适应ST(AST)控制器，可以提高系统对不确定性及线性增长有界干扰的抑制作用，同时进一步减弱控制器的震颤效应。收稿日期：2014．05．05；退修日期：2014—06—03；录用日期：2014-08-14；网络出版时间：2014-08-1508：16网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—68932014．0185．htmI基金项目：国家自然科学基金(61104026)*通讯作者Tel．：0451—

7、86413440-8408E-mail：gengyh@hit．educn引两播武IChenBL．GengYH．Adaptiveslidingmodecontrollerdesignforon—orbitservicingtouncontrollablespacecran【J]．ActaAeronau—ticaetAstronauticaSinica．2015．36(5)：1639．1649．睬炳龙．耿云海。对失控航天器在轨蹶务的自适应滑模控钢器设计[J]．航空学报，2015，36(5)：1639—1649．1640航空学报May252015V01．36No5Pukd

8、eboonEl31分别利用标准ST算法和AST算法设计了航天器间相对位置控制器，并利用李雅普诺夫方法证明了闭环系统的稳定性。但其相对平动模型是传统的点质量模型，并没有考虑相对转动对相对平动的耦合作用。Pan和Kapi—laEl43在航天器编队飞行控制中考虑了相对转动对相对平动的耦合影响，并用矢阵形式推导出了含有重力梯度力矩引起动力学耦合效应的相对运动模型，但其本质依然是点质量模型。Segal和GurfilEl53建立了从星上任意特征点到相对主星任意特征点的相对运动模型，解决了点质量模型引起的偏差，并且考虑了特征点间相对姿态角速度的直接作用所产生运动学耦合的影响，