基于干扰观测器的小卫星自适应积分滑模姿态控制
杨新岩1 廖育荣2* 倪淑燕3
【摘 要】摘 要 针对飞轮摩擦力矩和外界干扰力矩对小卫星姿态控制精度的影响，设计了一种自适应积分滑模控制器。首先通过设计干扰观测器来补偿飞轮摩擦力矩；并给出了干扰观测器能稳定工作的条件。针对滑模控制器存在的抖振问题，通过对切换增益设计自适应律来减弱抖振；然后基于干扰观测器和自适应律设计了自适应积分滑模控制器；理论证明了该控制器的稳定性。最后通过对小卫星姿态控制进行数字仿真，在控制器作用下，小卫星实现了 0.001°的控制精度；同时具有较小的抖振幅度，证明了所设计控制器的优越性。 【期刊名称】科学技术与工程 【年(卷),期】2019(019)003 【总页数】6
【关键词】关键词 小卫星 飞轮摩擦力矩 干扰观测器 自适应 滑模控制 中图法分类号 V525.1； 2018年9月26日收到
军队科研项目(1700050400)资助
引用格式：杨新岩， 廖育荣， 倪淑燕. 基于干扰观测器的小卫星自适应积分滑模姿态控制[J]. 科学技术与工程， 2019， 19(3)： 255-260
Yang Xinyan, Liao Yurong, Ni Shuyan. Small satellite adaptive integral sliding mode attitude control based on disturbance observer[J]. Science Technology and Engineering, 2019， 19(3)： 255-260
近年来，随着微机电技术和空间技术的发展成熟，小卫星受到了越来越多人的
关注。为了实现高精度的姿态控制，小卫星上一般选用飞轮作为力矩执行机构。在小卫星姿态控制过程中，飞轮的摩擦力矩是小卫星受到的主要干扰力矩之一；同时，低轨飞行的小卫星受到的外界干扰力矩也比较大，因此如何克服上述两种干扰力矩的影响，是实现小卫星高精度姿态控需要解决的问题之一。 目前，针对干扰的影响，解决的方法主要有两种：一种是通过精确建模或者建立观测器对干扰力矩进行补偿。文献[1]通过采用反作用轮电机力矩的时间序列信号为分析对象，引入Dahl理论模型为依据，提出了常偏信号和振颤信号相结合的摩擦力矩补偿方法；文献[2]针对对地凝视控制任务，采用干扰观测器的方法来抑制变结构控制的固有振颤，提高了控制效果；文献[3]针对机械飞轮的摩擦干扰，通过设计干扰观测器，提出了一种加入机械飞轮干扰补偿的自适应滑模变结构姿态控制方法，降低了最大的姿态扰动量，提高了卫星姿态控制的精度和稳定度。另一种是通过设计性能优越的鲁棒控制器，在适当牺牲一定控制精度的前提下实现姿态控制。在各种控制算法中，滑模变结构控制是典型的鲁棒性控制算法。然而滑模变结构控制的鲁棒性是靠控制器不断地在零附近变换结构产生的，这就造成了抖振问题。为了减小抖振，国内外学者提出了边界层法[4]、高阶滑模控制[5]和基于趋近律的控制方法[6—9]等各种方法。文献[10]通过关注未知摩擦力矩和外干扰力矩的界，并以此设计自适应滑模控制器，文献[11]针对现有自适应滑模控制方法存在过度适应问题，利用积分滑模控制的全局滑模特点，消除了初始跟踪误差对自适应过程的影响，提出了一种自适应积分滑模姿态跟踪控制方法。
综合上述两种方法，提出了一种引入干扰观测器的自适应积分滑模控制器。首先，针对飞轮的摩擦干扰力矩，设计干扰观测器估计出摩擦力矩，通过前馈控
制实现了对摩擦力矩的干扰补偿，减小了总干扰的上界。针对外界的不确定干扰，设计了自适应积分滑模控制器，其中自适应律根据干扰大小调整切换增益，减小了控制力矩的抖振幅度。
1 小卫星及飞轮数学模型
1.1 小卫星动力学模型
对于采用反作用飞轮作为力矩执行机构的刚体小卫星，其姿态动力学模型可以描述为 (1)
式(1)中，J为小卫星转动惯量矩阵；Jw为三个飞轮的轴向转动惯量组成的斜对角阵；ωb为小卫星本体相对于惯性系的角速度在本体坐标系中的分量；Ωw为三个飞轮的转速组成的向量；C为飞轮安装矩阵；T0为飞轮对小卫星产生的控制力矩；Tf为外界环境的干扰力矩，本文假设Tf有界。 上角标 “×”表示叉乘反对称斜方阵，对于x=[x1 x2 x3]T，有：
对于航天器三轴姿态控制，常常用轨道坐标系作为参考坐标系，所以小卫星的误差角速度为 (2)
式(2)中，为本体坐标系相对于轨道坐标系的转换矩阵；ωd为轨道坐标系下期望角速度的分量。
综合式(1)、式(2)，则小卫星姿态动力学模型为 T0+Tf(3)
采用四元数描述航天器姿态，则航天器运动学模型为 (4)
基于干扰观测器的小卫星自适应积分滑模姿态控制
