基于四元数的航天器姿态控制

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新中国成立以来,中国的航天技术取得了举世瞩目的成绩,中国的航天强国梦一直激励着我们一代又一代的华夏儿女.从中国第一颗人造卫星东方红一号,到后来的第一艘载人航天飞行器神舟五号,再是如今服务于一带一路的北斗卫星导航系统,我们炎黄子孙见证着中国航天事业的发展.然而航天器发展的背后需要一批批航天人的努力,需要克服一道道的技术难关,需要一步步的精益求精.而航天器姿态控制问题的解决是其中不可或缺的环节之一,因为诸多的空间任务(譬如太阳能帆板的光能吸收、对地观测等)都需要航天器具备理想的姿态控制性能.航天器高效、敏锐地完成各项空间任务能使其扩大应用范围,获取更具价值的信息.然而,航天器姿态控制是一类强非线性和强耦合的控制问题,迄今为止仍是航天控制领域的一大热点与难点.航天器姿态系统的运动学描述方法有方向余弦、欧拉角、四元数、罗德里格参数等.缘于现有的方法中,四元数描述法使用了最少的参数且具备全局无奇异性,故毕业论文的设计采用的是基于四元数的航天器姿态控制系统.而另一方面,以往的姿态控制器的设计都是基于连续时间反馈,而后在数字平台上运行的,其中控制算法其实是周期采样,只不过采样周期很短,可近似于连续反馈控制.诚然,这种控制方法自然会受到硬件本身的局限,频繁地更新控制信号也会导致一些不乐观的闭环性能,从而影响航天器的使用寿命.基于上述所讨论的研究现状,本文主要考虑了姿态系统的采样控制.论文的主要研究内容及创新点具体如下:  1)设计周期采样控制器,并考虑相应的线性二次型性能指标函数,即设计线性二次型最优(LQR)控制器.  2)设计基于事件驱动的滑模控制器,使得闭环系统具有良好的鲁棒性,并保证相应的事件触发机制不出现芝诺现象.  第一章给出了论文设计的研究目的和意义,还有就是国内外的一些研究现状.接着介绍了本论文里研究的对象,即相关的系统模型——姿态控制系统模型及其相应的一阶近似模型和拉格朗日模型.值得注意的是,在此给出的系统模型不含扰动项,也假设不存在模型不确定性.为了更好地贴近实际情况,我们将在第四章中把这两种情况都考虑进去.  第二章主要研究了一种周期采样控制器.我们利用Lyapunov稳定性理论和采样系统的离散化和时滞化方法,通过解几组线性矩阵不等式(LMIs)得到了状态反馈增益K.我们证明所得到的状态反馈控制器能有效镇定系统的同时,还能局部优化系统性能,即它是一个LQR控制器.最后通过数值仿真模拟,再次说明了我们设计的控制器的有效性.  第三章对于存在模型不确定性和外界扰动的情况下,研究了一种基于事件驱动的滑模控制.该控制使得闭环系统具有良好的鲁棒性且无芝诺现象.同样我们也通过仿真模拟来验证了该控制器的有效性.
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