[發(fā)明專利]一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811286579.7
• 申請(qǐng)日: 2018-10-31
• 公開（公告）號(hào): CN109445448B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊新巖;倪淑燕;廖育榮;張亞坤;曹永奎;楊玉敏;陳世淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 劉芳;仇蕾安

本發(fā)明提出了一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器，針對(duì)飛輪摩擦力矩和外界干擾力矩對(duì)小衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的影響，通過設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器來補(bǔ)償飛輪摩擦力矩，通過引入滑模變結(jié)構(gòu)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界不確定干擾的魯棒控制。針對(duì)滑模控制器存在的抖振問題，通過對(duì)切換增益設(shè)計(jì)自適應(yīng)律來減弱抖振，然后基于干擾觀測(cè)器和自適應(yīng)律設(shè)計(jì)了自適應(yīng)積分滑模控制器，該控制器具有較高的精度，較小的抖振。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器，屬于航天器控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著微機(jī)電技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展成熟，小衛(wèi)星受到了越來越多人的關(guān)注。小衛(wèi)星所執(zhí)行的任務(wù)與其姿態(tài)控制有很大的關(guān)系，如：要實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)的觀測(cè)任務(wù)，就要求小衛(wèi)星具有高精度的對(duì)地凝視姿態(tài)；要實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星太陽能帆板充電任務(wù)，就要求小衛(wèi)星具有對(duì)日定向姿態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，小衛(wèi)星上一般選用飛輪作為力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于小衛(wèi)星來說，干擾力矩是影響其姿態(tài)控制精度的主要原因，其中，對(duì)于采用飛輪作為力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)的小衛(wèi)星來說，飛輪的摩擦力矩是小衛(wèi)星受到的主要干擾力矩之一，同時(shí)，低軌飛行的小衛(wèi)星受到的外界環(huán)境的干擾力矩也比較大。因此，如何克服上述兩種干擾力矩的影響，是實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星高精度姿態(tài)控需要解決的問題之一。

目前，針對(duì)小衛(wèi)星受到的干擾力矩的影響，解決的方法主要有兩種：一種是通過精確建模或者建立觀測(cè)器對(duì)干擾力矩進(jìn)行補(bǔ)償；另一種是通過設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的魯棒控制器。但上述兩種方法存在一定的局限性，前者需要對(duì)干擾力矩具有一定的了解，而后者可處理未知的干擾力矩，但是會(huì)犧牲一定的控制精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器，該控制器能夠降低外界干擾力矩對(duì)輪控小衛(wèi)星姿態(tài)控制精度的影響，從而減小了控制力矩的抖振幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)小衛(wèi)星的精確控制。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器，包括積分滑模控制模塊，所述積分滑模控制模塊的控制算法為：

其中，ε、k_P、k_I為大于0的常量參數(shù)，S為滑模向量，ω_e和q_ev分別為小衛(wèi)星的誤差角速度和誤差姿態(tài)四元數(shù)，J為小衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω_b為小衛(wèi)星角速度，C為飛輪安裝矩陣，J_w為飛輪軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，Ω_w為飛輪軸向轉(zhuǎn)速，||||_∞為無窮范數(shù)；sat()為飽和函數(shù)，具體結(jié)構(gòu)為：

姿態(tài)控制器將計(jì)算得到實(shí)現(xiàn)控制所需力矩T轉(zhuǎn)換成控制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪機(jī)構(gòu)的控制。

一種輪控小衛(wèi)星自適應(yīng)積分滑模姿態(tài)控制器，所述姿態(tài)控制器包括積分滑模控制模塊和干擾觀測(cè)器，

所述積分滑模控制模塊的控制算法為：

其中，ε、k_P、k_I為大于0的常量參數(shù)，S為滑模向量，ω_e和q_ev分別為小衛(wèi)星的誤差角速度和誤差姿態(tài)四元數(shù)，J為小衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω_b為小衛(wèi)星角速度，C為飛輪安裝矩陣，J_w為飛輪軸向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值，Ω_w為飛輪軸向轉(zhuǎn)速，||||_∞為無窮范數(shù)，sat()為飽和函數(shù)，

其中，δ0為邊界層厚度。

所述干擾觀測(cè)器的控制算法為：