一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器制造技术

本发明专利技术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。

An Adaptive Integral Sliding Mode Attitude Controller for Wheeled Small Satellite

An adaptive integral sliding mode attitude controller for wheel-controlled small satellite is proposed. In view of the influence of flywheel friction moment and external disturbance moment on attitude control accuracy of small satellite, disturbance observer is designed to compensate flywheel friction moment, and sliding mode variable structure controller is introduced to realize robust control of external uncertain disturbance. Aiming at the chattering problem of sliding mode controller, an adaptive law is designed to reduce the chattering by switching gain. Then an adaptive integral sliding mode controller is designed based on disturbance observer and adaptive law. The controller has high precision and small chattering.

【技术实现步骤摘要】
一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器
本专利技术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

技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。实现本专利技术的技术方案如下：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：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：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。一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，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，||||∞为无穷范数，sat()为饱和函数，其中，δ>0为边界层厚度。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。有益效果第一，本专利技术针对外界的不确定干扰，设计了一种自适应积分滑模控制算法，其中自适应律根据干扰大小调整切换增益，减小了控制力矩的抖振幅度。第二，本专利技术针对飞轮的摩擦干扰力矩，设计干扰观测器估计出摩擦力矩，通过前馈控制实现了对摩擦力矩的干扰补偿，减小了总干扰的上界。第三，在外界干扰以及飞轮摩擦力矩的影响下，采用本专利技术设计的控制器，小卫星的姿态能最终达到期望姿态，具有较高的鲁棒性，且在小卫星达到稳定后，姿态误差能控制在较小的以内。同时，在保证系统鲁棒性的前提下，能充分减小控制力矩的抖振幅度，优化控制力矩，减小了飞轮的负担。附图说明图1为本专利技术设计的控制器应用于小卫星姿态跟踪控制流程图；图2为本专利技术中干扰观测器示意图；图3为本专利技术中姿态控制器示意图；图中：1、实现控制所需要的力矩，2、飞轮转速，3、飞轮摩擦干扰力矩的估计值，4、小卫星角速度，5、误差角速度，6、误差姿态四元数，7、输出控制电压。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步介绍。如图1所示，本专利技术设计的姿态控制器应用于小卫星姿态跟踪控制系统中，小卫星姿态跟踪控制系统的工作过程为：首先小卫星接收地面发来的指令，星务计算机计算出当前姿态与期望姿态的差值，传递给设计的姿态控制器，姿态控制器根据该误差信息计算得到控制电压，传递给飞轮机构，飞轮机构产生力矩作用在小卫星上，姿态敏感器计算出小卫星当前姿态，并将该信息传递给姿态检测计算机完成一个闭环控制循环。本专利技术设计了一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，该控制器可以在外界不确定干扰的影响，保证小卫星误差姿态收敛到零，同时减少稳态误差。针对滑模变结构控制算法存在的抖振问题，对切换增益设计自适应律，如下所示：其中，ε为大于0的常量参数，S为滑模向量，其结构为：kP、kI为大于0的常量参数，ωe和qev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，由星务计算机给出，ωe(0)为小卫星的初始时误差角速度，该自适应律可以根据外界干扰的大小自动调节增益幅值，在保证鲁棒性的前提下充分减小抖振。结合自适应律和全局积分滑模控制算法，得到满足控制需要的力矩为：T＝-ksat(S)-kPJωe-kIJqev+ωb×(Jωb+CJwΩw)为小卫星的转动惯量，ωb为小卫星角速度，由陀螺仪给出，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。如图2所示，针对飞轮的摩擦干扰力矩，本专利技术设计了干扰观测器估计出摩擦力矩，通过前馈控制实现了对摩擦力矩的干扰补偿，减小了总干扰的上界，该干扰观测器是基于飞轮机构的数学模型所设计的，具体表达式为其中，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为自适应全局积分滑模控制算法计算出的实现控制所需力矩。干扰观测器的输入为姿态控制模块得到的力矩T和飞轮转速Ωw，飞轮转速Ωw由飞轮上安装的测速装置得到，指令力矩由自适应全局积分滑模控制算法计算得出，输出为飞轮转动过程中的摩擦力矩观测值，将该值反馈到力矩T上，通过前馈控制实现了对摩擦力矩的干扰补偿。如图3所示，本专利技术中飞轮采用的是力矩模式，即输出力矩与输入电压成正比，结合前面的干扰观测器，最终设计的姿态控制器为：其中，u为输出的控制电压，k为飞轮力矩电压比例因子。综上所述，以上仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新岩，倪淑燕，廖育荣，张亚坤，曹永奎，杨玉敏，陈世淼，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11