空天飞行器姿态运动的模糊滑模鲁棒控制研究
李 彬1, 邵汉永1, 姜长生2
(1.曲阜师范大学自动化研究所,山东曲阜 276826; 2.南京航空航天大学自动化学院,南京 210016)
摘 要: 针对空天飞行器(ASV)的姿态系统的非线性、强耦合和不确定性,提出了一种分散
模糊滑模变结构控制方法。首先基于反馈线性化方法将ASV姿态系统解耦成3个独立的子系统;然后应用模糊滑模变结构控制方法分别设计了各子系统的姿态控制器。通过结合模糊控制与滑模变结构控制,有效抑制了ASV姿态系统的建模误差以及外部干扰。理论分析和仿真研究表明,所提方法具有控制精度高、鲁棒性强、便于工程实现等优点。
关 键 词: 姿态控制; 反馈线性化; 模糊滑模控制; 变结构; 鲁棒性
中图分类号: V32; TP273文献标识码: A
引言
空天飞行器(Aerospace Vehicle,ASV)姿态系统是非线性、强耦合、多输入多输出(MIMO)的系统,且飞行环境复杂,通常要受到各种干扰因素的影响,增加了飞行器控制系统设计的难度[1]。早期的飞控问题中,不少研究学者基于微分几何理论,通过非线性状态变换、状态反馈等方法[2-3],将非线性系统变换为可控线性系统或部分线性系统,再利用已有的线性系统理论来解决非线性系统的控制问题,取得了不少成果[4-6]。其中文献[4]采用解耦控制设计了飞行器控制系统;文献[5]通过非线性状态变换和非线性状态反馈,得到部分线性化系统,然后利用极点配置方法实现了飞行器的姿态控制;文献[6]基于反馈线性化将被控系统等效为线性系统,然后采用PD控制方法进行了飞控系统设计。但由于ASV姿态动态系统强非线性,以及实际飞行中,内部结构、参数变化以及外部扰动等未知不确定性因素的存在,传统的线性化控制方法,已经难以满足ASV飞控系统强鲁棒性的设计要求。滑模变结构控制作为一种有效的非线性路鲁棒控制方法,已广泛应用于飞行器控制设计中[7-9]。其中文献[9]结合反馈线性化和变结构控制两者的优势,设计了飞行器姿态控制器,但由于无法根据扰动大小实时调整控制器参数,无法有效削弱滑模抖动,从而影响了控制性能。
本文利用模糊控制可有效削弱滑模抖动影响的优点[10],结合模糊控制与滑模控制,实现了ASV姿态的鲁棒跟踪控制。首先基于反馈线性化对姿态动态系统进行解耦,将系统解耦为滚转角、偏航角和俯仰角运动的3个独立通道;然后针对各通道分别设计了模糊滑模变结构控制器,实现了姿态角对预定指令的跟踪。由于采用模糊逻辑在变结构控制的趋近阶段调节指数趋近律的参数,不仅保证了飞行器姿态角快速趋近滑模面又能有效降低抖振,同时还抑制了系统外部干扰和建模误差对系统的影响。最后通过仿真,验证了所设计控制方案的有效性。
1 空天飞行器模型的建立
空天飞行器的运动可分解为质心运动(也叫平移运动)和相对质心的旋转运动(亦称旋转运动)。
根据参考文献[11],可以建立起空天飞行器的六自由度运动方程和运动力学方程。飞行器姿态运动学方程为
2 模型的处理
考虑一般的多输入-多输出非线性系统取其状态空间的形式,令
图1~图2给出了在模糊变结构控制下的ASV姿态系统存在外界干扰时的滚转通道响应曲线(偏航、俯仰通道类似),图3~图4为常规模糊PID控制下的滚转通道响应曲线(两种控制方法初始条件完全相同)。图5为在模糊变结构控制下ASV 3个姿态角(滚转角、偏航角、俯仰角)跟踪误差曲线。比较图1和图3、图2和图4,明显可以看出,本文提出的模糊滑模控制方案,可使飞行器的姿态角快速、精确跟踪指令信号,并且对干扰力矩等外在不确定性干扰都具有很好的鲁棒性,同时有效地抑制了常规变结构控制所固有的抖振问题。
6 结论
本文在非线性系统线性化思想的基础上,对复杂的空天飞行器姿态运动方程进行反馈线性化处理,将其解耦为3个独立的通道。针对系统中存在的参数摄动、干扰和不确定性,对解耦后3个独立通道分别设计了模糊滑模变结构控制器。仿真结果表明,算法快速、有效,不仅可实现姿态动态系统的鲁棒控制,也为复杂非线性系统的控制问题提供了一种新的解决思路。
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