Oct．25 2016 VoI．37 No．10 3092．3100
航
空学报
1
lSSN 1000-6893 CN 1-1929／V
Acta AerOnautica et AstrOnautica Sinica
http：／yhkxb．buaa．edu．cn
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航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制
韩治国1’2，张科1’2一，吕梅柏1’2，郭小红3
710072
1．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安
710072
2．西北工业大学航天学院，西安
710043
3．西安卫星测控中心，西安
摘
要：针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题，提出了基
于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非
奇异终端滑模面，设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器，并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系
统惯量信息和外部干扰的上界。此外，所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性，使航天器在饱和幅
值的限制下完成姿态跟踪控制任务，并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩
阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下，所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性，而且对控制器
饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。
关键词：航天器；姿态跟踪；执行器故障；有限时间；控制器饱和
中图分类号：V448．2
文献标识码：A
文章编号：1000一6893(2016)10一3092一09
航天器姿态控制系统在航天器的健康运行中
扮演着重要的角色。在复杂的航天环境中，航天
器姿态控制系统会受到各种外部干扰力矩的作
用，航天器执行器在长期不断地执行在轨控制操
作时也会存在老化和失效等故障。为了有效维持
控制系统性能，需要使其对外部干扰与执行器故
障具有较强的鲁棒性；另外，航天器还存在转动惯
量矩阵的不确定性，因此控制饱和也是航天工程
中的常见问题[1屯]。综上所述，航天器在执行跟踪
任务时，需要一种能在有限时间内使系统收敛的
高稳定度、高精度的容错控制方法[3。4]。
鲁棒性。目前，应用滑模控制进行刚体航天器控
0|。在容
制系统设计已经取得了许多研究成果[5’1
错控制方面：文献[5—7]研究了外部干扰作用下的
滑模姿态跟踪控制；文献[8—9]研究了执行器故障
下的有限时间姿态容错控制；文献[10一11]研究了
执行器故障下的自适应补偿控制。
上述研究中所设计的控制系统并没有考虑控
制器的饱和特性，只是在仿真中对控制量的上限
进行了约束；但在实际工程中，控制器饱和是经常
发生的，因此研究控制器饱和特性下的有限时间
控制具有较强的工程意义。文献[12—15]研究了
执行器饱和特性下的基于滑模的有限时间姿态跟
踪控制；文献[16]研究了基于反步法的有限时间
对于非线性系统，滑模控制是一种有效的容
错控制方法，并且对于系统不确定项具有较强的
15：41
收稿日期：2015．10．19；退修日期：2015．11．24；录用日期：2015—12· 28；网络出版时间：2016-01—06
网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160106．1541．008．htmI
基金项目：国家自然科学基金(61101191，61174204，61502391)；航天支撑基金(N2015Kc0121)
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*通讯作者 Tel：029-88494418 E—mail：．edu
10)：3092—3100
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