挠性航天器鲁棒后步滑模姿态跟踪及主动振动控制
摘 要:针对挠性航天器姿态跟踪及振动抑制问题,提出一种双回路鲁棒控制方法.首先,采用滑模控制与后步法设计了姿态跟踪控制器,基于Lyapunov方法分析系统的渐近稳定性,并从实际应用角度考虑了反作用飞轮的动态特性;其次,为抑制挠性结构的振动,采用压电智能材料作为敏感器和作动器,设计了应变速率反馈补偿器.仿真结果表明,所提方法在保证完成姿态跟踪任务的同时,能有效抑制挠性附件的振动.
关键词:挠性航天器;滑模控制;执行器动态;后步法;姿态跟踪
1 引 言
随着航天技术的发展,现代的航天器通常带有诸如大型太阳帆板或其他轻型结构的挠性附件.在轨道运行中,随着挠性的展开和收缩,星体的转动惯量变化很大,同时还受到外部扰动力矩的作用,这些因素使得航天器对象具有很大的不确定性;另外,在此过程中,由于中心刚体和挠性附件之间存在强耦合,导致挠性结构的持续振动,进而影响航天器的运动和控制.因此,在挠性航天器姿态控制设计中,寻求一种鲁棒主动控制方法同时进行姿态控制和挠性结构的振动抑制显得尤为重要.
滑模变结构控制由于其很强的鲁棒性和处理非线性问题的一些优点,在航天器控制领域中得到了广泛应用[1-7].这些控制器往往直接设计成控制力矩并应用于力矩装置,如推力器或反作用飞轮,执行器的动态特性通常被忽略.然而,在实际应用中,由于系统响应特性仍直接依赖于实时推力器与反作用飞轮的输入电压,执行器动态将会影响整个控制系统的性能.
另一方面,对于挠性结构的振动问题,一种可行且有效的解决方法是通过采用压电智能材料作为执行器的补偿器进行补偿振动抑制.在基于智能材料的控制方法中,应变率反馈[8](SRF)控制策略作为一种鲁棒控制方法,设计简单方便,可大幅度提高模态的阻尼,对模态频率的变化也具有很好的鲁棒性针对上述问题,本文将后步滑模变结构控制与基于压电智能材料的SRF控制相结合,提出一种双回路鲁棒控制策略,并利用仿真实验对该方法的有效性进行了分析和验证.
2 挠性航天器的数学模型及控制问题
挠性航天器姿态跟踪及挠性结构主动振动抑制问题可描述为:给定航天器的初始姿态和期望姿态,设计控制器使初始姿态跟踪到期望姿态,并在跟踪过程中和跟踪结束后抑制挠性帆板的振动,使系统稳定在给定的平衡点附近.
3 控制策略
整个控制系统由两个相互独立的子系统组成:利用作用于刚体中心的反作用飞轮实现姿态跟踪控制的姿态控制子系统和利用压电智能材料实现挠性结构的主动振动控制的振动抑制子系统.
4 结 论
本文将鲁棒后步滑模控制和基于压电智能材料的主动振动抑制技术相结合,用于3轴挠性航天器的姿态控制及振动抑制.通过采用后步控制技术,在控制的设计过程中着重考虑飞轮执行机构的动态特性,并将其与滑模控制相结合,可增加系统的鲁棒性,提高系统的收敛速度和稳定度.以压电元件作为作动器,基于主动振动控制方法设计SRF补偿器,可大幅度提高挠性结构振动模态的阻尼,进一步抑制挠性结构的残余振动.仿真结果验证了该方法的有效性.进一步的工作是将本文方法应用于挠性结构振动抑制试验研究中. |
