欠驱动质量矩飞行器姿控系统优化及设计方法研究

Attitude control system with moving-mass is becoming one preferred scheme for the next generation attitude control system of spacecrafts, because it can play an irreplaceable role with the significant advantages of the tolerance to stress and environmental adaptability and the all built-in property. With the reseach results on full actuated moving-mass attitude control system, a new integrated design framework on the underactuated moving-mass attitude control system for spacecraft is proposed in the project, which includes: 1. integrated modeling the underactuated moving-mass attitude control system with the consideration of the actuators; 2. optimizing the structural parameters of the underactuated moving-mass attitude control system with the performance indexes set based on the theory of the degree of controllability; 3. designing stabilizing and tracking controllers of the underactuated moving-mass attitude control system based on nonsmooth feedback theory. The project aims at improving the theoritical methods of structrual optimization and control design of the high-order underacturated systems,and setting up a new integrated framework on the analysis and design of the underactuated moving-mass attitude control system in order to improve the engineering realization, optimization the mass carried of the spacecraft, and reliability and security of the attitude control system.

质量矩飞行器姿态控制系统以其环境适应能力强，可完全置于飞行器内部等其它姿控系统所无法替代的优点正逐渐成为新一代飞行器姿控系统的首选方案。本课题基于现有全驱动质量矩飞行器姿控系统的研究成果，提出欠驱动质量矩飞行器姿控系统一体化优化及设计方案，主要研究：1.考虑质量块移动机构动态的欠驱动质量矩飞行器姿态控制系统一体化建模问题；2.基于能控度指标体系的欠驱动质量矩飞行器姿控系统特征参数优化设计问题；3.基于非光滑反馈控制理论的欠驱动质量矩飞行器姿控镇定控制问题和跟踪控制问题。通过本课题的研究工作，可在理论上完善高阶欠驱动系统结构优化理论和控制理论，建立起一套有助于工程实现的欠驱动质量矩飞行器姿控系统分析与设计框架，为进一步优化质量矩飞行器姿控系统运载质量，增强系统的可靠性和安全性提供解决方案。

本课题针对高超声速无动力滑翔飞行的质量矩飞行器，采用倾斜转弯控制方式，设计具有较大升阻比的气动外形，分别在轴向与径向安装一套直线运动的质量块执行机构，推导两个质量块运动与转动惯量矩阵、气动力矩之间的数学关系，基于拉格朗日方法建立欠驱动质量矩飞行器姿态与执行机构一体化控制模型。.开展欠驱动质量矩飞行器姿控系统特征参数优化设计研究。考虑高空无外力情况下质量块运动角动量集合的几何空间分布，建立期望姿态与所对应系统状态的动量水平集合之间的关系，基于李代数秩条件对姿控系统在动量水平集合中的可控性进行分析，最大限度的扩大满足系统可控性条件的非零状态集合，且系统可控性不依赖于质量块的个数与安装构型。另一方面，在存在气动力情况下将质量块位置输入有界情况下欠驱动自由度方向上姿态角的恢复区域定义为欠驱动质量矩飞行器的能控度指标，并将该能控度指标作为优化设计的目标函数，建立能控度指标与特征参数之间的函数关系，给出欠驱动质量矩飞行器特征参数优化设计时需要满足的约束条件，优化设计出系统的最优特征参数。.开展欠驱动质量矩飞行器姿控系统控制律设计研究。提出基于线性Lipschitz 曲面作为切换面的欠驱动质量矩飞行器姿态滑模变结构设计方法，通过传统滑模控制方法设计偏航姿态控制律，保证偏航角保持稳定在零点附近，同时将系统的欠驱动约束转化为对两个质量块的位置约束。其次，采用线性Lipschitz曲面作为滚转和俯仰姿态镇定控制律的切换面，增加滚转和俯仰姿态控制律设计过程中的参数自由度，来满足偏航姿态控制设计中对两个质量块的位置约束。根据姿态角偏差处于不同区域设计非光滑切换面，基于非光滑Backstepping方法反演姿态角速度得到期望控制律满足的条件，同时，基于等效原理采用广义逆方法求解满足欠驱动轴姿态控制要求的镇定控制律，并利用全局相依锥判据保证非光滑切换面满足滑模到达条件和存在条件，最终实现闭环系统在状态空间的不同区域具有不同的收敛特性，通过等效原理实现了对飞行器三个姿态的控制目标。仿真结果表明，通过质量块的移动能够在无偏航的前提下将欠驱动质量矩飞行器的过载平面快速地调整到期望的位置，产生期望大小的过载。