基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun252015Vol36No．61933．1939ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制王辉1，胡庆雷2一，石忠1’3，高庆吉11。中国民航大学航空自动化学院，天津3003002．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京1001913．滨州职业学院，滨州256603摘要：针对存在外部干扰、控制饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题，提出了基于

2、反步法的有限时间控制方案。通过引入一类新型的具有有限时间收敛特性的积分式滑模面，设计了满足多约束的有限时间容错姿态跟踪控制器，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界。该容错控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构，并显式地考虑了执行器输出的饱和幅值要求。稳定性分析表明：在控制饱和甚至执行器故障等多约束的条件下，本文所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性，且对于执行器故障具有优越的容错能力；数值仿真分析进一步验证了该控制器的控制性能，以及对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性。关键词：航天器；姿态跟踪；反步法；有限

3、时间；执行器故障中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：i000—6893(2015)06—1933—07可靠且精确的姿态控制是航天器完成各项空间任务的重要条件和保证，而航天器在轨运行时始终面临着外部干扰、控制饱和以及执行器故障等约束的影响。目前，已有大量的研究成果致力于解决其中单个或多个问题，这些控制方案包括逆最优控制[1]、变结构控制叩1和自适应控制∞1等。然而，在同时考虑上述约束的情况下，如何实现姿态控制的高精度和稳定度的要求，对航天器控制系统的设计提出了新的挑战与要求。控制饱和[4’6]是航天工程中最常见的问题。AIi等¨o通过反步法设计了一

4、类输出力矩受限的姿态机动控制器，但其形式过于复杂；Boskovic等[61基于变结构控制设计了相应的控制方案，其结构简单并易于应用，但并未考虑故障因素。事实上，执行器故障也是影响系统控制性能的重要问题[7。9j。被动容错控制通常被视为用于解决执行器故障的较为流行的一种方法[】“13。，Cai等[10]利用冗余执行器配置讨论了执行器失效时的姿态控制问题，在此基础上，Xiao等[113研究了角速度不可测情况下的姿态跟踪容错控制，Hu等[121提出了一类鲁棒容错控制器，同时解决了控制饱和问题，并在文献[13]中讨论了执行器卡死故障下的姿态机动控制问题。上述研究成果

5、中的控制系统大都是渐近时间稳定的，但通常来说，航天器的很多在轨控制任务(如快速机动)都要求系统能够在有限时间内完成。因此，研究有限时间收敛的航天器姿态控制问题具有较强的工程意义。有限时间控制[141因其快速收敛性和高精度控制性能在航天控制中得到了广泛应用[15-20]。丁世宏和李世华[153基于非收稿El期：2014．06．10；退修日期：2014-07—24；录用日期：2014．09．05；网络出版时间：2014．09—2611：21网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／107527／S1000．68932014．0215．htmI基

6、金项目：国家自然科学基金(61174200，61273175)*通讯作者．Tel．：0451—86402726E-mail：huqingleihit@gmailcom引甩格武lWangH．HuoL．Shiz．eta1．Backstepping-basedfinite—timefault-tolerantattitudetrackingcontrolforspacecraft[JjActaAeronauticeetAstronauticaSinica，2015，36(6)：1933—1939．王辉，静庆劳，石怎，筝基于反步法的艏天器有质时闻姿态鼹踩客错控翱!西

7、?航空学报，2015，36(6)：1933．{939．航空学报dun．252015VoI36No，6feo—qTqd。J一一口d+q“qdeq,toqqoqqd<一口d十Ito。一to—Ctodt06R3为航天器的本体角速度；gd，一IqdoqTd1∈le一一∞：c『o～。钆]L-n，n，oJ航天器姿态跟踪的运动学模型可表示为卜丢∥tOe㈩e一寺E(P，)tO。式中：E(e。)一eoJ+P“，且有0E(e，)

8、

9、一1，0·』为2一范数。航天器姿态跟踪动力学模型为J西。一一(tO。+CtOd)。d(tO。+CtOd)+z(tO：ctOd—ciod)+DF+d式

10、中：J∈R3x3为航天器系统的惯量矩阵；D∈R3×”