一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109445448A(43)申请公布日2019.03.08(21)申请号201811286579.7(22)申请日2018.10.31(71)申请人中国人民解放军战略支援部队航天工程大学地址101416北京市怀柔区雁栖镇八一路一号(72)发明人杨新岩倪淑燕廖育荣张亚坤曹永奎杨玉敏陈世淼(74)专利代理机构北京理工大学专利中心11120代理人刘芳仇蕾安(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器(57)摘要本发明提出了一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，针对飞轮摩擦力矩和外界干扰力矩对小卫星姿态控制精度的影响，通过设计干扰观测器来补偿飞轮摩擦力矩，通过引入滑模变结构控制器实现对外界不确定干扰的鲁棒控制。针对滑模控制器存在的抖振问题，通过对切换增益设计自适应律来减弱抖振，然后基于干扰观测器和自适应律设计了自适应积分滑模控制器，该控制器具有较高的精度，较小的抖振。CN109445448ACN109445448A权利要求书1/1页1.一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，其特征在于，包括积分滑模控制模块，所述积分滑模控制模块的控制算法为：其中，ε、kP、kI为大于0的常量参数，S为滑模向量，ωe和qev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，J为小卫星的转动惯量，ωb为小卫星角速度，C为飞轮安装矩阵，Jw为飞轮轴向转动惯量值，Ωw为飞轮轴向转速，sat()为饱和函数，||||∞为无穷范数；姿态控制器将计算得到实现控制所需力矩T转换成控制电压，实现对飞轮机构的控制。2.一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，其特征在于，所述姿态控制器包括积分滑模控制模块和干扰观测器，所述积分滑模控制模块的控制算法为：其中，ε、kP、kI为大于0的常量参数，S为滑模向量，ωe和qev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，J为小卫星的转动惯量，ωb为小卫星角速度，C为飞轮安装矩阵，Jw为飞轮轴向转动惯量值，Ωw为飞轮轴向转速，sat()为饱和函数，||||∞为无穷范数；所述干扰观测器的控制算法为：其中，L1<0，L2>0，为常量参数，分别为飞轮转速Ωw和摩擦干扰力矩Twf的估计值，T为实现控制所需力矩；姿态控制器根据计算得到控制电压u，实现对飞轮机构的控制；其中，u为输出的控制电压，k为飞轮力矩电压比例因子。2CN109445448A说明书1/4页一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器技术领域[0001]本发明涉及一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，属于航天器控制技术领域。背景技术[0002]近年来，随着微机电技术和空间技术的发展成熟，小卫星受到了越来越多人的关注。小卫星所执行的任务与其姿态控制有很大的关系，如：要实现对地面目标的观测任务，就要求小卫星具有高精度的对地凝视姿态；要实现小卫星太阳能帆板充电任务，就要求小卫星具有对日定向姿态。[0003]为了实现高精度的姿态控制，小卫星上一般选用飞轮作为力矩执行机构。对于小卫星来说，干扰力矩是影响其姿态控制精度的主要原因，其中，对于采用飞轮作为力矩执行机构的小卫星来说，飞轮的摩擦力矩是小卫星受到的主要干扰力矩之一，同时，低轨飞行的小卫星受到的外界环境的干扰力矩也比较大。因此，如何克服上述两种干扰力矩的影响，是实现小卫星高精度姿态控需要解决的问题之一。[0004]目前，针对小卫星受到的干扰力矩的影响，解决的方法主要有两种：一种是通过精确建模或者建立观测器对干扰力矩进行补偿；另一种是通过设计性能优越的鲁棒控制器。但上述两种方法存在一定的局限性，前者需要对干扰力矩具有一定的了解，而后者可处理未知的干扰力矩，但是会牺牲一定的控制精度。发明内容[0005]本发明提出了一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，该控制器能够降低外界干扰力矩对轮控小卫星姿态控制精度的影响，从而减小了控制力矩的抖振幅度，实现对小卫星的精确控制。[0006]实现本发明的技术方案如下：[0007]一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，包括积分滑模控制模块，所述积分滑模控制模块的控制算法为：[0008][0009]其中，ε、kP、kI为大于0的常量参数，S为滑模向量，ωe和qev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，J为小卫星的转动惯量，ωb为小卫星角速度，C为飞轮安装矩阵，Jw为飞轮轴向转动惯量值，Ωw为飞轮轴向转速，||||∞为无穷范数；sat()为饱和函数，具体结构为：[0010][0011]姿态控制器将计算得到实现控制所需力矩T转换成控制电压，实现对飞轮机构的3CN109445448A说明书2/4页控制。[0012]一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控