最优控制小论文飞行器的翻转最优滑模控制及平移与姿势动力学.doc

飞行器的翻转最优滑模控制及平移和姿势动力学 日期：2015年11月3日 摘 要：该论文提出了一种强健的最优翻转控制策略，实现了飞行器在外部干扰的情况下平移和姿势动态控制。该最优控制是基于桑塔格公式和控制李雅普诺夫函数实现的，然后把二阶积分滑模和已经得到的最优控制律结合实现最优积分滑模控制，所提出的控制律可使系统全局渐进稳定的证明可由李雅普诺夫函数实现。该论文首先介绍了一些初步的结果并进行了讨论，第二部分介绍了飞行器的动力学方程和运动学方程。第三部分提出了问题也给出了相应的控制目标。最后，把没有干扰的最优控制律和二阶积分滑模得到的控制结合，达到最终的目的。 关键字：平移和姿势控制；最优控制；控制李雅普诺夫函数；二阶积分滑模控制；积分滑模控制 Abstract：This paper proposes two robust inverse optimal control schemes for spacecraft with coupled translation and attitude dynamics in the presence of external disturbances. For the first controller, an inverse optimal control law is designed based on Sontag-type formula and the control Lyapunov function. Then a robust inverse optimal position and attitude controller is designed by using a new second-order integral sliding mode control method to combine a sliding mode control with the derived inverse optimal control. The global asymptotic stability of the proposed control law is proved by using the second method of Lyapunov. This paper is organised as follows. Section 2 introduces some preliminary results, which are required for the following discussion. In Section 3, the dynamics and kinematics of spacecraft with coupled translation and attitude dynamics (Sidi, 1997; Wertz, 1978) are described. The problem statement and control objective are also given. Section 4 provides an inverse optimal control design to achieve the asymptotic convergence of error system states to zero. In Section 5, a new ISOSMC law is applied to merge the derived inverse optimal control with SMC. Keywords: position and attitude control; inverse optimal control; control Lyapunov function; second-order sliding mode control; integral sliding mode 1. 引言 飞行器的位置和姿势对其完成相应的任务非常重要，例如飞行器的交会和对接、捕捉一些无效力的飞行器、编队飞行等。这些太空任务需要飞行器执行一些角度较大的旋转和复杂的平移运动。翻转最优控制策略用来处理要求精确的飞行器的位置和姿势运动，平移和旋转的运动方程是高度非线性的。所以几乎没有实验成功的最优控制率来解决这个问题。 这里提出了一个基于翻转最优控制和积分二阶滑模控制的强健的最优控制策略，这种策略用来处理位置和姿势的控制问题，并且优于单纯的最优滑模控制。滑模控制对匹配的参数不确定性和外部干扰具有良好的鲁棒性，且具有快速的动态响应能力。采用积分滑模的概念可以将控制器与滑模方法结合，保证系统的鲁棒性。 2. 翻转最优控制方法 我们考虑如下仿射非线性动态