航天器姿态稳定的有限时间控制方法研究

The ability of high-precision and fast-maneuver for spacecraft attitude system is the guarantee of the successful accomplishment of space mission. It is affected by the factors such as disturbances, uncertainties, actuator faults, actuator saturation and unknown angular velocity et al. To improve the control performance, this project researches the less conservative finite-time attitude control. It means the studied controllers are continuous and non-singular. The control parameters are simple and the stability can be analyzed with disturbances. Moreover, the bound of convergence time can be given completely. The specific content includes the following four parts. (1) The stability of homogeneous attitude control is analyzed under disturbance and uncertainties. (2) The complete bound of convergence time of non-singular terminal sliding mode control is given. (3) The simplify problem of parameters for adding-a-power-integrator control is studied. (4) The finite-time output feedback attitude control based on observer or filter is researched with no knowledge of the angular velocity information. This project studies and solves the problem of attitude control for spacecraft by using finite-time control method, perfects the finite-time control theory and finds the effective attitude control scheme, hence, it has of some theoretical guidance significance.

在轨航天器姿态系统的高精度、快速响应能力是完成航天任务的重要保障，其性能受到外界干扰、模型不确定性、执行机构故障、输入饱和、角速度信息未知等因素影响。为提高姿态系统的控制性能，本项目针对多因素影响下的姿态控制问题，开展低保守性的有限时间姿态控制方法研究，即研究同时具有连续、无奇异、参数简单、干扰存在时可稳定性分析、以及收敛时间上界可完整估计等优点的有限时间姿态状态反馈与输出反馈控制方法。具体研究内容为：（1）分析齐次姿态控制方法在干扰等不确定性条件下的稳定性；（2）明确非奇异终端滑模姿态控制的完整收敛时间上界；（3）探究加幂积分姿态控制的参数简化方法；（4）针对航天器角速度未知情况，设计基于观测器或滤波器的有限时间输出反馈姿态控制器。本项目拟以有限时间控制方法解决航天器姿态控制中的实际问题，不仅可丰富和发展有限时间控制理论，而且对完善航天器姿态控制方案，具有一定的理论指导意义。

航天器需具备高精度、快速响应的姿态控制系统以顺利完成航天任务，其控制系统性能受到众多内外因素影响，诸如模型不确定性、外界干扰、输入饱和、执行机构故障、角速度信息未知等等。本项目针对多因素影响下的姿态控制问题，开展低保守性的有限时间姿态控制方法研究，用以进一步提高姿态系统的控制性能，即研究同时具有连续、无奇异、参数简单、干扰存在时可稳定性分析、以及收敛时间上界可完整估计等优点的有限时间姿态状态反馈与输出反馈控制方法。项目立项时的研究内容主要包括：（1）分析齐次姿态控制方法在干扰等不确定性条件下的稳定性；（2）解决非奇异终端滑模姿态控制的“控制奇异与收敛时间有界的矛盾性”；（3）探究加幂积分姿态控制的参数简化方法；（4）研究航天器角速度未知情况时的有限时间输出反馈姿态控制问题。针对以上研究内容，本项目主要取得的重要结果如下：（1）在考虑干扰等不确定性时，齐次控制能驱动系统状态收敛到平衡点附近的领域内；（2）明确非奇异终端滑模姿态控制的完整收敛时间上界；（3）提出一种加幂积分姿态控制的参数简化方法，证明增益参数仅需为正数，即可保证系统为局部有限时间稳定。（4）针对航天器角速度未知情况，设计基于观测器或滤波器的有限时间输出反馈姿态控制器。本项目拟以有限时间控制方法解决航天器姿态控制中的实际问题，不仅可丰富和发展有限时间控制理论，而且对完善航天器姿态控制方案，具有一定的理论指导意义。