第 34卷 第 4期 控 制 与 决 策 Vol.34 No.4
2019年 4月 Control and Decision Apr. 2019
文章编号: 1001-0920(2019)04-0735-08 DOI: 10.13195/j.kzyjc.2017.1384
考虑执行器性能约束的刚体航天器鲁棒姿态跟踪控制
陈海涛
†
, 宋申民
(哈尔滨工业大学 控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨 150001)
摘 要: 针对存在模型不确定性、外界干扰力矩和执行器性能受限等约束条件下的刚体航天器姿态跟踪控制问
题进行研究,并基于滑模控制、反步控制、自适应控制、辅助系统和动态面控制等方法设计相应的鲁棒姿态跟踪控
制算法. 利用自适应控制实现了对具有多项式形式上界函数的系统未知不确定性进行在线估计和补偿; 通过建立
描述执行器动态特性的低通滤波模型, 并结合辅助系统方法, 以确保执行器输出控制力矩的幅值及其变化率均满
足一定的饱和约束;通过引入动态面控制法,避免期望虚拟控制信号的一阶导数项直接出现在控制器中, 简化了闭
环姿态跟踪控制器的设计形式. 最后,通过数值仿真验证了所提出控制算法的有效性和可行性.
关键词: 滑模控制；反步控制；自适应控制；辅助系统；动态面控制；幅值及变化率饱和
中图分类号: TP448.234 文献标志码: A
Robust attitude tracking control of rigid spacecraft considering control
input constraints
CHEN Hai-tao
†
, SONG Shen-min
(Center for Control Theory and Guidance Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)
Abstract: The rigid spacecraft attitude tracking control problem in the presence of the modeling uncertainty, external
disturbance and input constraints is investigated in this paper, and a robust attitude tracking control algorithm is designed
based on the combination of the sliding mode control, backstepping control, adaptive control, auxiliary system and
dynamic surface control approaches. Within the proposed controller, the adaptive control technique is utilized to estimate
and compensate for the unknown system uncertainty on line. A dynamic model in a low pass filter form is built up for
the onboard actuators, which is then associated with the auxiliary system method to satisfy the control input magnitude
and rate saturations. Moreover, the dynamic surface control (DSC) method is employed to avoid the calculation of the
differentiation of the virtual control signal and simplify the closed-loop attitude tracking controller. Finally, digital
simulations are conducted to further demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed controller.
Keywords: sliding mode control；backstepping control；adaptive control；auxiliary system；dynamic surface control；
magnitude and rate saturations
0 引
姿态跟踪控制问题在工程以及理论研究中均具
有重要作用, 是多种控制任务成功实现的基础, 因此
近年来国内外的众多学者对其进行了大量研究, 并相
继提出了多种姿态跟踪控制方法, 包括最优控制
[1]
、
PD+ 控制
[2]
、滑模变结构控制
[3-4]
、反步控制
[5]
以及
自适应控制
[6]
等. 其中, 滑模变结构控制具有易于实
施, 能够直接处理系统不确定性等优点, 尤其是基于
非线性滑模函数的终端滑模控制方法
[7]
,其收敛速度
更快、控制精度更高, 逐渐引起了研究人员的重视.
但是,一般的滑模变结构控制器仅适用于存在匹配不
确定性且阶数不超过二阶的系统,致使相应研究结果
具有一定的局限性. 与此同时, 文献 [8-9] 通过结合自
适应控制和反步控制等方法,解决了存在非匹配不确
定性的任意阶系统的跟踪控制问题, 更适于处理高阶
复杂系统的跟踪控制问题.
考虑到实际工程中不可避免地存在多种非理想
因素,诸如模型不确定性、干扰力矩以及执行器的非
理想特性, 包括幅值和变化率受限等, 为保证满意的
控制性能,在设计控制器时必须考虑上述各因素对系
收稿日期: 2017-10-19；修回日期: 2018-03-20.
基金项目: 国家自然科学基金项目 (61174037, 61333003, 61021002).
责任编委: 姜斌.
作者简介: 陈海涛 (1988−), 男, 博士生, 从事航天器控制的研究；宋申民 (1968−), 男, 教授，博士生导师, 从事复杂
系统的鲁棒控制及智能控制等研究.
†
通讯作者. E-mail: cht2016hit@163.com.
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