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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 哈尔滨工业大学 主编 李隆球 国际刊号ISSN 0367-6234 国内刊号CN 23-1235/T

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引用本文:张超,张胜修,蔡光斌,侯明哲.小型航天器浸入与不变自适应反步姿态跟踪[J].哈尔滨工业大学学报,2014,46(7):60.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.011
ZHANG Chao,ZHANG Shengxiu,CAI Guangbin,HOU Mingzhe.Immersion and invariance adaptive backstepping attitude tracking of micro-spacecraft[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2014,46(7):60.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.011
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小型航天器浸入与不变自适应反步姿态跟踪
张超1, 张胜修1, 蔡光斌1, 侯明哲2
(1.第二炮兵工程大学 控制工程系,710025 西安; 2.哈尔滨工业大学 控制理论与制导技术研究中心,150001 哈尔滨)
摘要:
针对具有惯性张量不确定性、外干扰及饱和限制的小型航天器非线性姿态跟踪问题,将反步法和系统浸入与流形不变理论相结合,提出了分块自适应约束控制结构.航天器姿态模型由修正罗德里格参数进行全局非奇异描述.在设计反步控制器时,引入指令滤波器和修正跟踪误差信号以施加系统状态和执行器的饱和限制,同时较容易地获得虚拟控制导数.为提高反步控制器的鲁棒性和性能,利用基于不变流形的非线性观测器对时变的系统“总干扰”进行在线估计补偿.由于不变流形方法使得估计误差具有指定的一致稳定动态,因而该分块自适应控制器比传统的自适应反步控制器更容易调节,且性能不受未知的估计律动态的影响.李亚普诺夫直接方法证明了估计误差有界性和闭环系统输入状态稳定.数值仿真表明,与传统方法相比,所提出的控制器结构具有更高的姿态跟踪性能和干扰估计精度.
关键词:  姿态跟踪  修正罗德里格参数  自适应反步法  浸入与不变  饱和约束
DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2014.07.011
分类号:V448
基金项目:国家自然科学基金资助项目 (7,5);黑龙江省博士后基金资助项目(LBH-Z13076);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(HIT. NSRIF. 2013039).
Immersion and invariance adaptive backstepping attitude tracking of micro-spacecraft
ZHANG Chao1, ZHANG Shengxiu1, CAI Guangbin1, HOU Mingzhe2
(1. Dept. of Control Engineering, The Second Artillery Engineering University, 710025 Xi’an, China; 2. Center for Control Theory and Guidance Technology, Harbin Institute of Technology, 150001 Harbin, China)
Abstract:
A modular adaptive controller is proposed for the nonlinear attitude tracking of micro-spacecraft in the presence of uncertain inertial tensor, external disturbances and saturation constraints, which combines the theory of system immersion and manifold invariance (I&I) and constrained backstepping. Firstly, the spacecraft attitude is globally represented by modified Rodrigues parameters. Then the backstepping controller is derived to implement any operating constraints and obtain the derivatives of virtual control easily by introducing command filters and modified tracking errors. To improve the robustness of baseline controller, the nonlinear estimator is constructed based on I&I to estimate and compensate the time-varying total disturbances on line. Because the I&I approach allows for prescribed uniformly stable dynamics to be assigned to the estimation error, the resulting modular adaptive controller is easier to tune compared to classical adaptive backstepping. And its performance does not suffer from unpredictable dynamical behavior of the estimation laws. The closed-loop input-to-state stability and boundedness of the estimation error are guaranteed by Lyapunov direct method. Comparative simulations state that the proposed controller is successful in achieving high attitude performance and precise estimation of disturbance.
Key words:  attitude tracking  modified rodrigues parameters  adaptive backstepping  immersion and invariance  saturation constraint

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