[发明专利]一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器

说明书

本发明提出了一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，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，通过设计干扰观测器来补偿飞轮摩擦力矩，通过引入滑模变结构控制器实现对外界不确定干扰的鲁棒控制。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，该控制器具有较高的精度，较小的抖振。

技术领域

本发明涉及一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，属于航天器控制技术领域。

背景技术

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。小卫星所执行的任务与其姿态控制有很大的关系，如：要实现对地面目标的观测任务，就要求小卫星具有高精度的对地凝视姿态；要实现小卫星太阳能帆板充电任务，就要求小卫星具有对日定向姿态。

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。对于小卫星来说，干扰力矩是影响其姿态控制精度的主要原因，其中，对于采用飞轮作为力矩执行机构的小卫星来说，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环境的干扰力矩也比较大。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，针对小卫星受到的干扰力矩的影响，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；另一种是通过设计性能优越的鲁棒控制器。但上述两种方法存在一定的局限性，前者需要对干扰力矩具有一定的了解，而后者可处理未知的干扰力矩，但是会牺牲一定的控制精度。

发明内容

本发明提出了一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，该控制器能够降低外界干扰力矩对轮控小卫星姿态控制精度的影响，从而减小了控制力矩的抖振幅度，实现对小卫星的精确控制。

实现本发明的技术方案如下：

一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，包括积分滑模控制模块，所述积分滑模控制模块的控制算法为：

其中，ε、k_P、k_I为大于0的常量参数，S为滑模向量，ω_e和q_ev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，J为小卫星的转动惯量，ω_b为小卫星角速度，C为飞轮安装矩阵，J_w为飞轮轴向转动惯量值，Ω_w为飞轮轴向转速，||||_∞为无穷范数；sat()为饱和函数，具体结构为：

姿态控制器将计算得到实现控制所需力矩T转换成控制电压，实现对飞轮机构的控制。

一种轮控小卫星自适应积分滑模姿态控制器，所述姿态控制器包括积分滑模控制模块和干扰观测器，

所述积分滑模控制模块的控制算法为：

其中，ε、k_P、k_I为大于0的常量参数，S为滑模向量，ω_e和q_ev分别为小卫星的误差角速度和误差姿态四元数，J为小卫星的转动惯量，ω_b为小卫星角速度，C为飞轮安装矩阵，J_w为飞轮轴向转动惯量值，Ω_w为飞轮轴向转速，||||_∞为无穷范数，sat()为饱和函数，

其中，δ0为边界层厚度。

所述干扰观测器的控制算法为：