[发明专利]一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法

权利要求书

1.一种组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)建立干扰环境下的组合体航天器运动学和动力学模型；

(2)针对组合体航天器运动学和动力学模型中由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰，设计干扰观测器对由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰进行估计；

(3)针对步骤(1)中所建立的组合体航天器运动学和动力学模型，设计一种组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器，得到能够使组合体航天器三轴姿态稳定的控制指令；

(4)将步骤(2)中设计的干扰观测器和步骤(3)中设计的抗饱和姿态稳定控制器进行复合，构造组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法；

所述步骤(1)的组合体航天器运动学和动力学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{q}=\frac{1}{2}(q_0\mathrm{\ω}+q\×\mathrm{\ω})\\ {\stackrel{\·}{q}}_0=-\frac{1}{2}{q}^T\mathrm{\ω}\\ J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=u\left(t\right)-\mathrm{\ω}\×J\mathrm{\ω}+d\end{array}\right.$

其中，q和q₀分别为组合体航天器姿态四元素向量和标量，J是组合体航天器的转动惯量，ω是组合体航天器的姿态角速度，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，d是由于转动惯量不确定性和未建模动态带来的干扰，满足σ为正常数；

所述步骤(2)中设计如下干扰观测器来估计由于转动惯量不确定性及未建模动态带来的干扰：

$\hat{d}=Jz+Jp\left(\mathrm{\ω}\right)$

$\stackrel{\·}{z}=-l\left(\mathrm{\ω}\right)z-l\left(\mathrm{\ω}\right)\[p\left(\mathrm{\ω}\right)-J^{-1}\mathrm{\ω}\×J\mathrm{\ω}+J^{-1}u\left(t\right)\]$

其中，是干扰d的估计值，J是组合体航天器的转动惯量，z是观测器的中间变量，p(ω)是待设计的变量，l(ω)是观测器的增益，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令；

所述步骤(3)中设计的组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器为：

u(t)＝-βu_maxq-(1-β)u_maxTanh[(ω+kq)/α²]

其中，u(t)是组合体航天器三轴姿态稳定控制指令，u_max是控制输入的上界，β是一个满足0<β<1的常数，α是一个正常数，满足Tanh(·)是标准的正切函数，增益k是随时间变化的函数，控制ω与q的切换，其变化满足如下：

$\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{k}=-{\mathrm{\&gamma;}}_k(1-\mathrm{\&beta;})u_{\max }{q}^T\{Tanh\&lsqb;(\mathrm{\&omega;}+kq)/{\mathrm{\&alpha;}}^2\&rsqb;+\\ Tanh(kq/p^2)\}-{\mathrm{\&gamma;}}_k{\mathrm{\&gamma;}}_{c}k(q^{T}q+{\mathrm{\&gamma;}}_d)\end{array}$

其中，γ_k∈[0,1]和γ_d∈[0,1]是正常数，γ_c是一个单位调节参数；

所述步骤(4)中将干扰观测器和组合体航天器抗饱和姿态控制器进行复合，构造组合体航天器复合分层抗干扰姿态稳定控制方法为：

$u\left(t\right)=-\mathrm{\&beta;}{\tilde{u}}_{max}q-(1-\mathrm{\&beta;}){\tilde{u}}_{max}Tanh\&lsqb;(\mathrm{\&omega;}+kq)/{\mathrm{\&alpha;}}^2\&rsqb;-\hat{d}$

其中，是一个与控制输入上界相关的量，满足是步骤(3)中干扰观测器对干扰d的估计值。