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《第七届全国多体系统动力学暨第二届全国航天动力学与控制学术会议会议论文集》2011年
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基于分层滑模方法的3D刚体摆的姿态控制

邹奎  戈新生  
【摘要】:正3D刚体摆由一个刚体组成,在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一固定的、无摩擦支点三自由度旋转。由于地球静止轨道(GEO)航天器的姿态动力学方程不受重力项的影响,因此,GEO航天器的姿态控制问题可以看成3D刚体摆的姿态控制问题的特殊情形,即3D刚体摆的质心与支点重合时的情形。所以,研究一般情形时的3D刚体摆的姿态控制问题是非常有意义的,同时也极大的丰富了非线性系统理论。3D刚体摆可以分为轴对称和非轴对称两种情形来研究。轴对称3D刚体摆在重力的作用下绕固定点旋转运动,如果它绕对称轴旋转的角速度为零,则动力学模型可退化成2D球摆;如果它绕对称轴旋转的角速度为非零常数,动力学模型则退化成Lagrange陀螺。关于2D球摆和Lagrange陀螺姿态控制的研究文献非常多,但是最终的目的却是研究非轴对称3D刚体摆的姿态控制。目前,已有少量的文献对非轴对称3D刚体摆的姿态控制问题进行了研究。3D刚体摆的姿态稳定性主要包括倒立平衡和悬垂平衡状态的姿态控制问题。针对非轴对称3D刚体摆的姿态控制问题,比较传统的控制方法就是利用角速度反馈或者姿态反馈。如采用角速度反馈或者姿态反馈方法,控制律的设计比较复杂,而且控制系统的动态性能和稳态精度都不好。近年来,滑模变结构方法得到广泛的应用。由于滑动模态的选取与控制对象参数及扰动无关,使得该控制方法具有快速响应、对参数变化及扰动无关、无须系统在线辨识、设计简单等优点。针对非轴对称3D刚体摆,利用3-2-1Euler角姿态描述方式建立了简化姿态运动学方程,并利用滑模变结构方法设计了分层滑模控制器。分层滑模控制器将系统状态分成两个子系统,分别构造滑动平面,采用Lyapunov方法来确定总控制量,该控制量可以实现3D刚体摆的姿态控制。在保证最后一层滑动平面渐进稳定的条件下,各个子系统也分别进入其各自的滑动平面,并沿滑动平面运动。与传统姿态反馈或角速度反馈方法相比,分层滑模控制方法具有良好的动态品质和稳态精度。仿真结果表明,该方法既能够有效的实现3D刚体摆的姿态渐进稳定控制,同时该控制律对外部扰动具有一定的鲁棒性和自适应性。

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