复杂航天器高精度容错姿态控制研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文复杂航天器高精度容错姿态控制研究HIGH-PRECISIONFAULT-TOLERANTATTITUDECONTROLFORCOMPLEXSPACECRAFT系别：仪器科学与技术系专业：导航、制导与控制导师：赵健康教授博士生：龙海辉上海交通大学二零一五年三月上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所單交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰巧过的作品成果，均已在文中Ｗ明。对本文的研究做出重

2、要贡献的个人和集体确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结巧由本人承担。学位论文作者签名；日期丈之：年月＾日ＩＩ上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留，同、使用学位论文的规定意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被杳阅和借阅。本人授权上海交通大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密＾＂＂（请在上方框内

3、打Ｖ）学位论文作者签名；指导教师签名／２日期：年月日日期１年ｆ；兴月日方＾１１１上海交通大学博士学位论文摘要带大型挠性附件复杂航天器的姿态高精度控制问题是航天领域研究的热点问题。由于复杂航天器系统存在刚柔耦合干扰、模型不确定性、执行机构输入饱和及故障等问题，对其姿态进行高精度高稳定度控制面临巨大挑战。针对零次近似模型不能很好反映挠性体变形动力学特性，本文采用一次近似建立挠性航天器完整的动力学模型，且详细分析了动力学中的刚柔耦合特性以及由于大角度快速机动引起的挠性附件“动力刚化”现象。对于模型不确定性问题，主要包括转动

4、惯量及挠性体模态参数不确定等问题。1）针对在轨航天器其转动惯量参数不确定性问题，建立了基于转动惯量为参数的误差变量（Error-in-Variables,EIV）模型，并考虑实际中模型的输入/输出信号被有色及互相关噪声污染的情况，提出基于累积量最小二乘辨识方法。基于随机过程理论及鞅理论，对累积量自适应最小二乘方法进行了收敛性分析，证明了在某些持续激励条件下，该方法估计的参数是无偏的及一致的。2）针对柔性体模态参数的在轨辨识问题，基于OKID方法，提出利用卫星本体的角加速度作为系统的输入而不添加额外的激励信号，避免了由于额外信号带来的干

5、扰。挠性航天器的高精度高稳定度控制面临的主要瓶颈包括模型不确定性、各种额外干扰、挠性附件振动影响、执行器输入饱和及执行器故障等。为了提高控制精度及稳定度，本文主要从以下几个方面着手：1）针对模型不确定性及额外干扰，基于逆最优方法和姿态四元数表示，通过重构控制Lyapunov函数，提出了基于挠性航天器逆最优姿态控制方法。针对四元数双值性带来的姿态控制“退绕”问题，提出抗退绕逆最优姿态控制方法。提出的该方法能同时镇定两个平衡点，避免了“退绕”问题。提出的姿态控制方法达到了H最优控制，而无需解HJIPD方程。2）针对执行器输入饱和，考虑两

6、种输入饱和情况：一种是执行器幅度饱和；另一种是执行器幅度与速率饱和。针对执行器这两种饱和情况，分别设计幅度受限鲁棒控制器和幅.IV.上海交通大学博士学位论文度及速率受限鲁棒控制器。通过设计新颖的饱和补偿器嵌入到反馈控制器里以消除执行器饱和对控制系统的影响，使设计的控制器在输入饱和存在情况下，控制系统仍能达到输入到状态稳定（Input-to-StateStable,ISS）。为了避免“退绕”问题，进一步提出了抗退绕幅度受限鲁棒控制器和抗退绕幅度及速率受限鲁棒控制器。3）针对航天器控制过程中执行器发生故障及输入饱和，提出幅度受限容错控制器

7、和幅度及速率受限容错控制器。考虑三种故障情况：执行器部分失效、执行器卡住故障及执行器完全失效，建立执行器故障模型。为了设计容错控制器，提出了一个新的引理并给予严格证明。通过设计饱和补偿器消除输入饱和的影响及引入两个自适应因子估计因故障引起的未知参数，使设计的控制器在执行器故障及输入饱和都存在情况下仍能达到ISS。所设计的控制器不需要执行器故障任何先验信息。为了避免“退绕”问题，提出了抗退绕幅度受限容错控制器和抗退绕幅度及速率受限容错控制器。最后通过数值仿真分析，证实了本文所提方法的有效性。关键词：动力学建模，误差变量模型，转动惯量辨识

8、，累积量，抗退绕，输入饱和，逆最优，容错控制中图分类号：V448.V.上海交通大学博士学位论文ABSTRACTThehighprecisionattitudecontrolofcomplexspacecraftwithl