撓性衛星姿態動力學系統非線性控制新方法研究

《撓性衛星姿態動力學系統非線性控制新方法研究》是依託廈門大學，由曾建平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：撓性衛星姿態動力學系統非線性控制新方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曾建平
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

衛星姿態動力學系統具有明顯的非線性、撓性和不確定性特徵。由於缺乏有效的非線性設計理論和方法，姿態控制研究和工程實踐多以線性化方法為主。近年來，正多項式特別是多項式平方和(SOS)理論取得重要進展，有力促進了非線性控制理論研究。撓性衛星姿態系統屬一類有特定結構的多項式非線性系統，受此激勵，本項目基於SOS方法，研究這類系統的動力學分析、非線性控制和魯棒控制問題，為撓性衛星姿態控制設計提供新的途徑。項目研究內容是對非線性控制理論和方法的有益補充。本項目直接針對撓性衛星姿態非線性系統模型的設計方案，可避免傳統線性化方法引起的模型誤差。由此建立的基於SOS的撓性衛星姿態系統動力學分析和非線性控制理論與方法，可藉助於凸最佳化算法檢驗，且相應的非線性控制器僅是系統輸出的多項式或有理式函式，不過分增加工程實現難度。另外，非線性控制方法避免了線性控制不能兼顧多性能指標相互衝突之固有不足，提高系統性能品質。

結題摘要

撓性衛星姿態動力學系統具有明顯的非線性、撓性、不確定性和內外部干擾的特徵，這些特徵對高指向精度和高穩定度的姿態控制研究提出了挑戰，是當前撓性衛星姿態控制領域的難點和熱點問題。本項目直接以撓性衛星的非線性姿態動力學模型為對象，採用近期成熟的SOS 凸最佳化理論，主要圍繞這類非線性系統的動力學分析、非線性控制以及魯棒非線性控制的問題展開研究。首先，基於Lyapunov穩定性理論和SOS凸最佳化理論，建立了衛星非線性姿態系統的穩定性判據，並通過理論分析和數值仿真的手段，分析了撓性衛星參數變動、動態不確定性、外部擾動以及撓性附屬檔案對衛星本體姿態動力學行為的影響。其次，針對撓性模態的難以測量性，我們提出了基於撓性模態觀測器的非線性姿態控制設計方案，給出了控制器的存在性條件，並證明了分離特性的成立，極大地降低了控制器設計的複雜性。在此基礎上，針對航天工程實踐中存在的主要不確定性因素，我們提出了魯棒非線性姿態控制設計方案，給出了控制器的存在性條件，提高了衛星姿態系統適應參數變化、動態不確定性和外部干擾的能力。最後，基於以上研究方法，我們考慮了一般多項式非線性系統的輸出反饋控制問題，給出了問題可解的凸最佳化條件，將本項目的工作一般化，完善了已有結果。項目中提出的控制方法，均通過數值仿真驗證了其可行性和有效性，並建立了一個撓性衛星姿態仿真實驗系統，用於比較線性控制和非線性控制方案各自的特點。