基于PCH模型的航天器姿态无源控制.pdf

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1、2017年6月第43卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2017V01．43No．6http：／／bhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．enDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0414基于PCH模型的航天器姿态无源控制王青1’+，龚立纲1，董朝阳2(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083；2．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：针对存在干扰力矩的航天器姿态控制问题，从能量角度提出一种基

2、于端口受控哈密顿(PCH)系统模型的无源控制方法。通过将姿态控制系统表示为PCH形式，并增加与姿态误差积分有关的状态，利用互联和阻尼分配无源控制(IDA．PBC)方法进行控制器设计，使得闭环系统具有期望的内部互连结构关系和能量耗散特性，所提出的控制方案能保证系统的输入．状态稳定性。进一步，考虑执行器的动态特性，利用反步法对控制指令进行补偿设计，结合指令滤波技术避免对虚拟控制量高阶导数的计算，并从理论上证明了闭环系统一致最终有界。仿真结果验证了本文所提控制方法相比于单独基于无源性控制方法的性能优势。关键词：航天器；姿态控制；哈密顿系统；无源性；阻尼分配中图分类号：TP249；V448．22文献

3、标识码：A文章编号：1001-5965(2017)06-1061—11姿态控制是航天器完成对地观测、深空探测等空间任务的重要基础环节，一直以来都受到研究人员的广泛关注¨。1。针对航天器姿态动力学模型的控制系统设计，国内外学者主要采用反步法⋯1、滑模控制∽1、反馈线性化控制旧93等实现，并取得了许多成果。上述方法均基于Lyapunov稳定性理论。在此基础上，文献[10．11]考虑系统无源性的特点，从能量角度出发设计姿态控制律，但无源性本身只能保证系统不存在干扰时的稳定性，而航天器在轨运动会受到空间中干扰力矩的作用，同时自身的转动惯量存在非对角元素等不确定性。2’L”1，从而使得基于无源性设计的

4、控制律难以直接应用。由Ortega等。1⋯o提出的互连和阻尼分配无源控制(InterconnectionandDampingAssignmentPassivity．BasedControl，IDA．PBC)方法结合了端口受控哈密顿(Port-ControlledHamihonian，PCH)系统和无源特性。由于具有物理意义直观和全局收敛特性等优点，IDA—PBC方法在机械系统¨“、电机系统‘1“、船舶定位系统Ⅲ。、功率变换系统¨副等领域得到了广泛应用，是目前控制理论领域的研究热点¨“2⋯，但IDA．PBC方法在航天器姿态领域的应用还比较少见。IDA—PBC方法的基本思想是：将控制系统模型表示

5、为PCH系统形式，利用PCH的互连结构矩阵和阻尼矩阵揭示出系统的内部能量交换和耗散关系，通过求解一组偏微分方程来使得闭环系统具有期望能量平衡关系的控制输人。与基于Lyapunov理论的设计方法相比，IDA-PBC方法的物理含义更加直观，与期望闭环系统对应的哈密顿函数可直接作为稳定性分析的Lyapunov函数，在这一点上两者是等同的；与单独基于无源性的控制方法相比，IDA．PBC通过设计阻尼矩阵，利用耗散能量的方式保证系统存在干扰时的输入一状态稳定性旧“，这一点是前者难以做到的。航天器收稿日期：2016-05-18；录用日期：2016．08-25；网络出版时间：2016-10-1708：45网

6、络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20161017．0845．004．html基金项目：国家自然科学基金(61374012)}通讯作者：E-mail：bhwangqing@126．comjf用格式：王青，龚立纲，董朝阳．基于PCH模型的航天器姿态无源控制[JJ．北京航空航天大学学报，2017，43(6)：1061—1071．WANGQ，GONGLG，DONGCY．SpacecraftattitudepassivitycontrolbasedonPCHmode／[JJ．JournalofBeijiugUniversityofAeronautics

7、andAstronautics，2017，43(6)：1061-1071(inChinese)．1062北京航空航天大学学报2017年的姿态运动属于一类运动系统，本质上也遵循能量的物理定律，因此控制律设计同样可从能量的角度进行。本文将IDA．PBC方法引入航天器的姿态控制，一方面，在IDA．PBC的框架下，将姿态控制模型表示为PCH形式，通过增加与姿态误差积分有关的状态来保证闭环系统的输入．状态稳定性；另一方