基于终端滑模的飞行器姿态控制问题研究

论文摘要

随着空间技术的飞速发展,人们对飞行器姿态控制系统的性能提出了越来越高的要求。滑模变结构控制以其对系统参数摄动和外界干扰具有理想鲁棒性的特点,使其非常适合于飞行器姿态控制系统的设计。终端(Terminal)滑模控制算法由于具有有限时间收敛的优点成为最近几年的研究热点。利用终端滑模控制算法设计飞行器姿态控制系统将是一个很有价值的研究课题。围绕这一问题,本文在飞行器姿态系统建模、姿态运动控制器设计以及在带有未知扰动和不确定性条件下控制系统的设计三个方面进行了较为深入的研究。首先,简要阐述了滑模变结构控制理论,并且研究了飞行器姿态运动的规律,推导出飞行器姿态运动学和动力学方程,建立了飞行器姿态运动系统模型,为后面的控制器设计奠定了基础。其次,分析了飞行器姿态控制系统模型,根据时间尺度分离的原则将飞行器状态分成对应于姿态角的慢子系统和对应于角速度的快子系统,从而构成内外两个控制回路,外回路跟踪给定的姿态角,内回路跟踪设计的姿态角速度。针对两个控制回路分别设计了带有非线性时变补偿函数的终端滑模控制算法,保证系统跟踪误差在有限时间内收敛到零,从而提高了系统的响应速度。仿真结果表明,所提控制方法不仅能克服大幅值的外界干扰,而且在响应时间和控制精度上都优于传统的滑模控制方法。最后,将自适应控制思想和滑模控制理论相结合,针对扰动和不确定性边界未知的飞行器姿态控制系统模型,设计了一种带有自适应参数估计的终端滑模控制算法。通过在线辨识来估计扰动和不确定性的边界,从而减弱了控制系统的约束条件。仿真结果显示,在边界未知条件下,所设计的算法能够实现对指令信号快速、准确地跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 飞行器姿态控制方法研究现状
• 1.4 滑模变结构控制理论的研究和发展现状
• 1.5 本文的结构和主要工作
• 第2章 滑模控制原理以及飞行器姿态控制模型
• 2.1 引言
• 2.2 滑模变结构控制的基本原理
• 2.2.1 滑模变结构理论的基本概念
• 2.2.2 滑模变结构控制系统的设计
• 2.2.3 滑模变结构控制系统的稳定性分析
• 2.3 飞行器姿态控制的数学模型
• 2.3.1 常用参考坐标系
• 2.3.2 飞行器姿态运动学方程
• 2.3.3 飞行器姿态动力学方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 Terminal滑模控制器的设计
• 3.1 引言
• 3.2 Terminal滑模控制算法的研究
• 3.3 飞行器姿态控制系统的模型分析和问题描述
• 3.3.1 模型分析
• 3.3.2 问题描述
• 3.4 基于Terminal滑模的飞行器姿态控制器设计
• 3.4.1 慢回路Terminal滑模控制器设计
• 3.4.2 快回路Terminal滑模控制器设计
• 3.5 仿真分析研究
• 3.5.1 仿真说明
• 3.5.2 仿真结果及分析
• 3.5.3 仿真对比分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 自适应Terminal滑模控制器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 自适应控制简介
• 4.3 自适应滑模控制器设计
• 4.3.1 慢回路控制器设计
• 4.3.2 快回路控制器设计
• 4.4 仿真分析研究
• 4.4.1 仿真说明
• 4.4.2 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢