大型卫星姿态机动的滑模变结构控制技术.pdf

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1、2011年第1期上海航天AEROSPACESHANGHAl文章编号:1006—1630(2011)01一0023一05大型卫星姿态机动的滑模变结构控制技术胡良军,刘付成(上海航天控制工程研究所,上海200233)摘要:研究了大型卫星三轴大角度姿态机动控制。建立了以控制力矩陀螺作为执行机构的大型卫星姿态动力学方程,针对快速性和鲁棒性要求,设计了一种滑模变结构控制器。控制器基于反馈四元数,避免了源自三轴大角度机动欧拉角描述的奇异性,且滑动模态能满足Lyapunov意义的渐近稳定。仿真结果验证了该控制器的有效性和优良性能。关键词:大型卫星;姿态机动;滑模变结构;控制力矩陀螺;四

2、元数中图分类号:V448.22文献标志码:AResearchonAttitudeManeuVerControlofLarge-ScaIeSate¨iteBasedonVariableStructureControlSystemwithSlidingModeHULiang_jun,LIUFu—cheng(ShanghaiAerospaceControlEnginee“ngInstitute,Shanghai200233,China)Abst瞰t:Theattitudemaneuvercontroloflarge_scalesatellitewasstudiedinthisp

3、aper.Thedynamicsmodelofsatellitebasedoncontrolmomentgyrowasbuiltup.Tomeettherequirementofthehighspeedandrobusticity,aslidingmodevariablestructurecontrollerwasderived.ThecontrollerwasdescribedbyquaterniontoremoVethesingularitycomingfromthelargeangleattitudemaneuver.Theslidingmodewouldsatis

4、fyLyapunoVstabilization.ThesimulationresultsshowedthattheproposedapproachwaseffectiveandexceUent.Keywor凼:Large-scalesatelIitelAttitudemaneuver;Variablestructurecontrolsystemwithslidingmode;Cbntrolmomentgyro;QuaternionO引言随着航天技术的发展,航天器对姿态机动控制能力的要求越来越高,系统功能越来越复杂。不但要求姿态机动的速度快,而且能迅速稳定到指定的期望姿态或

5、衔接到下一机动任务。同时,对复杂大型卫星,还需具备抑制源于大角度姿态机动的参数摄动和挠性附近振动干扰的能力。近年来,对航天器大角度姿态机动进行了广泛研究。文献[1]对滑模控制在卫星姿态机动中的应用进行了研究并设计了路径最优的滑模面;文献[2]研究了刚体+挠性附件的三轴姿态机动,在实现卫星刚体姿态机动的同时有效抑制了挠性附件的振动;文献[3]基于极大值收稿日期:2009一02—0Z;修回日期:2009—03一09作者简介:胡良军(1984一),男,硕士生,主要研究方向为卫星姿态机动控制。原理和变结构理论设计了次最优控制器,实现了反作用飞轮速率饱和限制条件下的姿态大角度机动。

6、但大型卫星的大惯量、变参数等特点对力矩输出和系统鲁棒性等提出了新的挑战。针对大型卫星多轴同时大角度姿态机动的需求,本文研究了一种滑模变结构控制算法。1数学模型描述为便于研究,将挠性影响视作外部干扰力矩,可得简化刚体卫星姿态动力学方程为J:击。=(.厂,一.,。)∞,叫。+M。+L删:一L剃,+Mb;(1)3西,=(jt—J;)∞甜。七Mc,+L剃。一L删。+Mj,;(2)J西。一(J:一J,’)∞枷,+M。+上海航天AEROSPACESHANGHAI2011年第1期L刎,一L∥:+M0.(3)式中:魄,∞,,cc,:为卫星的惯性角速度∞的三轴分量;,:,,,,.厂。为卫星

7、主惯量矩J的三轴分量;虬,Mc,,M。为控制力矩陀螺提供的控制力矩M。的三轴分量;L。,L,,L:为控制力矩陀螺相对星体的角动量L的三轴分量;‰,Md,,帆为外干扰力矩M。的三轴分量,且满足fl帆(£)l≤‰,,‰,>o,.{lMd,(£)I≤Md舯,,Mj。。>o,(4)【lMd:(£)l≤M2。。,Md一,>o.此处:下标max表示最大值。为避免大角度机动时用欧拉角描述姿态产生的奇异,本文用四元数口表示运动学方程,即1牙=寺G(∞)g.式中:G(∞)=q‘g一1.(5)设卫星的初始四元数qo一[q:翻醴q0]T,卫星姿态机

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