航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaOct．252016VoI．37No．103092．3100lSSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／yhkxb．buaa．edu．cnhkxbl罾buaa．edu．cn航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制韩治国1’2，张科1’2一，吕梅柏1’2，郭小红31．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安7100722．西北工业大学航天学院，西安7100723．西安卫星测控中心，西安710043摘要：针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障

2、的航天器姿态跟踪控制问题，提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面，设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器，并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外，所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性，使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务，并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下，所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性，而且对控制器饱和

3、与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。关键词：航天器；姿态跟踪；执行器故障；有限时间；控制器饱和中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000一6893(2016)10一3092一09航天器姿态控制系统在航天器的健康运行中扮演着重要的角色。在复杂的航天环境中，航天器姿态控制系统会受到各种外部干扰力矩的作用，航天器执行器在长期不断地执行在轨控制操作时也会存在老化和失效等故障。为了有效维持控制系统性能，需要使其对外部干扰与执行器故障具有较强的鲁棒性；另外，航天器还存在转动惯量矩阵的不确定性，因此控制饱和也是航

4、天工程中的常见问题[1屯]。综上所述，航天器在执行跟踪任务时，需要一种能在有限时间内使系统收敛的高稳定度、高精度的容错控制方法[3。4]。对于非线性系统，滑模控制是一种有效的容错控制方法，并且对于系统不确定项具有较强的鲁棒性。目前，应用滑模控制进行刚体航天器控制系统设计已经取得了许多研究成果[5’10

5、。在容错控制方面：文献[5—7]研究了外部干扰作用下的滑模姿态跟踪控制；文献[8—9]研究了执行器故障下的有限时间姿态容错控制；文献[10一11]研究了执行器故障下的自适应补偿控制。上述研究中所设计的控制系统并没有考虑控制器的饱和特性，只是在仿真中对控制量的上

6、限进行了约束；但在实际工程中，控制器饱和是经常发生的，因此研究控制器饱和特性下的有限时间控制具有较强的工程意义。文献[12—15]研究了执行器饱和特性下的基于滑模的有限时间姿态跟踪控制；文献[16]研究了基于反步法的有限时间收稿日期：2015．10．19；退修日期：2015．11．24；录用日期：2015—12·28；网络出版时间：2016-01—0615：41网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160106．1541．008．htmI基金项目：国家自然科学基金(61101191，61174204，6150

7、2391)；航天支撑基金(N2015Kc0121)*通讯作者Tel：029-88494418E—mail：zhangke@nwpu．educn爨用格武t韩治国．张科．g梅拍．等．航天器自适应快速非奇异终端滑模客错控裁t如．航空学报，2016．37t10)：3092—3100HANZG．ZHANGK’LYUM8．ela

8、．soacecraflfau

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14、ngmodelJ]AdaAeronauticaetAslronauticas{n}ca。2016．37(10

15、)：3092-3100÷韩治国，等：航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制姿态跟踪控制；文献[17—20]研究了基于非奇异滑模面的航天器有限时间姿态跟踪控制，同时文献[19]利用参数自适应方法对滑模面的趋近律参数进行了估计。综合上述研究成果，虽然部分文献在考虑控制器饱和特性下设计了有限时间收敛的故障容错控制律，但是设计的控制律仍然依赖于系统不确定性的上界。因此在综合考虑控制器饱和与执行器故障等控制问题时，如何实现在存在外部干扰与惯量矩阵不确定下的有限时间收敛控制，提高控制精度与减小控制器抖动，并利用参数自适应方法使设计的控制律不依赖系统不确定性的上界信息，成

16、为本文的研究重点。本文首先引入快速非奇异终端滑模面，