【摘 要】
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航天器在轨运行期间,太阳帆板的展开及冲击、燃料燃烧的消耗和有效载荷的运动等因素都会使惯性矩阵产生变化,故一般不能获得其精确值,这就导致航天器模型存在不确定性。与此同时,航天器还易受到空间环境力矩的影响,导致其姿态控制系统精度下降。为使航天器姿态稳定,顺利完成预设任务,需要采取有效的控制算法抑制空间环境力矩对系统的影响,提高姿态控制系统的抗干扰性。因此本文针对航天器的姿态控制研究,将自适应控制方法与
【基金项目】
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国家自然科学基金青年科学基金项目（61703221）； 山东省自然科学基金培养基金项目（ZR2016FP10）；
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航天器在轨运行期间,太阳帆板的展开及冲击、燃料燃烧的消耗和有效载荷的运动等因素都会使惯性矩阵产生变化,故一般不能获得其精确值,这就导致航天器模型存在不确定性。与此同时,航天器还易受到空间环境力矩的影响,导致其姿态控制系统精度下降。为使航天器姿态稳定,顺利完成预设任务,需要采取有效的控制算法抑制空间环境力矩对系统的影响,提高姿态控制系统的抗干扰性。因此本文针对航天器的姿态控制研究,将自适应控制方法与其它控制方法相结合,解决存在惯性矩阵不确定的问题并抑制外部干扰对姿态控制系统的影响,提高航天器的稳定性和抗干扰性。本文主要内容包括以下几个方面:（1）针对状态方程和输出方程皆含有外部干扰的非线性系统抗干扰控制问题,其中外部干扰由外部系统产生,在外部系统参数矩阵未知的情况下,首先构造状态观测器和自适应干扰观测器估计系统状态和外部干扰,通过求解线性矩阵不等式获得观测器增益,使估计误差收敛;然后基于自适应干扰观测器设计输出反馈控制器,抑制干扰对非线性系统的影响,同时考虑区域极点配置,保证闭环系统具有期望的动态和稳态性能;最后仿真结果表明,当外部系统参数矩阵未知或者参数矩阵不准确时,干扰观测器仍能估计干扰,进而提出的基于自适应干扰观测器的控制算法能抑制干扰的影响并保证系统的稳定性。（2）针对刚体航天器姿态控制问题,首先研究存在外部干扰和惯性矩阵未知的情况,采用自适应控制与反步控制算法相结合的方法,分别设计自适应律估计惯性矩阵和外部干扰上界,进而设计自适应反步控制律使刚体航天器姿态系统稳定;然后研究惯性矩阵不确定的情况,将惯性矩阵不确定部分和外部干扰合并为等价干扰,构造自适应律估计等价干扰的上界,进而设计自适应滑模控制器来提高航天器姿态控制系统的抗干扰性。最后仿真结果表明,在刚体航天器模型不确定以及受到外部干扰力矩作用的情况下,上述两种控制方法仍具有良好的抗干扰性能。（3）针对挠性航天器姿态控制系统,考虑存在外部干扰和惯性矩阵未知的情况,首先分析挠性附件产生的振动对系统的影响,构造模态观测器估计挠性模态值;然后设计自适应律估计外部干扰上界以及惯性矩阵;最后基于模态观测器设计自适应滑模控制器,采用Lyapunov稳定性理论分析闭环系统的稳定性,并通过仿真验证所设计的控制器能够在一定程度上抑制外部干扰对系统的影响,满足挠性航天器姿态稳定控制的要求。
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