未知时变惯量航天器自适应容错姿态跟踪控制研究

本文主要探讨了在航天器系统中面临的重要挑战，即如何实现对存在未知时变惯量、执行机构故障和外部干扰力矩的非刚体航天器的自适应姿态跟踪容错控制。针对这些问题，研究者采用了非线性鲁棒控制、自适应控制理论、容错控制理论和参数估计方法的融合策略。 首先，航天器的姿态跟踪是航天任务成功的关键，特别是在执行在轨维护、对地观测和深空探索等任务时，对参考姿态的精确跟踪显得尤为必要。近年来，学术界对这一领域的研究不断深入，各种控制方法如自适应控制、反步法、滑模控制和有限时间控制得到了广泛应用。然而，实际的太空环境中，航天器会受到太阳光压、重力梯度等多种外部干扰力矩的影响，同时其惯量可能会因太阳帆板运动和液体晃动等因素而变得未知，导致难以精确获取惯量参数。 为了克服这些挑战，文章提出了基于鲁棒控制、自适应控制和输出调整理论的自适应内模方法。这种方法能够在系统中建立一个内模，以补偿未知惯量和外部干扰，从而保证系统的稳定性。对于航天器在快速大角度姿态机动时遇到的问题，研究者进一步将非线性反步法和Lyapunov稳定性分析相结合，设计出一种具有转动惯量估计功能的非线性未知时变惯量航天器自适应姿态跟踪容错控制器。这种控制器旨在确保航天器的姿态和角速度能够跟踪目标期望状态，即使在执行机构故障或存在不确定性的情况下，也能保持跟踪误差系统的最终一致有界稳定。 通过数字仿真，研究者验证了所提出的控制方法的有效性，并将其与现有方法进行了对比，结果显示，新方法在处理复杂环境和不确定因素方面表现出优越性。因此，本文的研究成果对于提升航天器在太空环境中的自主性和可靠性具有重要的理论价值和实践意义，为航天器的姿态控制提供了新的解决方案。