无角速度测量的航天器有限时间姿态控制

作     者：柯晓曼 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周彬

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无角速度测量 有限时间控制 固定时间控制 航天器姿态控制 

摘      要：随着航天事业的蓬勃发展,任务执行过程中对于航天器姿态控制提出了更高的要求,注重于鲁棒性、敏捷性与精确性的提升。航天器姿态控制中主要涉及的状态向量为航天器姿态角和姿态角速度,分别可由红外地平仪、星敏感器等姿态测量仪及速率陀螺测得。因为速率陀螺常处于高速旋转状态并且占用一定载荷,故本文针对未搭载速率陀螺或者在轨运行过程中速率陀螺损坏的无角速度测量的微小卫星,进行有限时间姿态控制研究。在完成无角速度测量的有限时间姿态控制基础上,进一步实现了固定时间姿态控制,提升控制性能。首先,给出航天器姿态控制常用坐标系的定义,介绍与航天器姿态控制相关的姿态参数描述方式,并明确彼此之间的转换关系,基于修正罗德里格参数及四元数的两种姿态描述方式,对三自由度的航天器的姿态运动学和动力学进行推导与建模。其次,研究无角速度测量的航天器有限时间姿态控制问题。在未建模动态的情况下,基于加幂积分理论设计了一个有限时间滤波器与控制器。在不考虑外界干扰及参数不确定的情况下,对闭环系统的有限时间稳定进行分析,进而,考虑其存在,对闭环系统的有限时间收敛有界进行理论分析。在控制力矩最大值受限情况下,通过分析与仿真结果证明本章有限时间滤波器及控制器的设计的有效性。最后,研究无角速度测量的航天器固定时间姿态控制问题。提出了一个基于齐次定理的固定时间观测器,考虑存在外界干扰及参数不确定等现实情况,对观测系统的固定时间收敛有界进行分析。基于线性时变不等式方法理论,通过滑模法提出一个固定时间姿态控制器,并分析闭环系统的稳定性,通过分析与仿真证明本章提出的固定时间观测器及控制器的有效性与优越性。