基于液体晃动干扰观测器的航天器混沌姿态H∞控制

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.9(2014)090502基于液体晃动干扰观测器的航天器∗混沌姿态H∞控制秦利刘福才y梁利环侯甜甜(燕山大学,工业计算机控制工程河北省重点实验室,秦皇岛066004)(2013年12月15日收到;2014年1月18日收到修改稿)针对航天器受液体燃料晃动及内外周期性微小激励耦合影响产生混沌运动的问题,提出了基于神经网络干扰观测器的自适应H1鲁棒控制方案,以实现充液航天器混沌姿态运动的消除与液体燃料晃动的抑制.基于神经网络的非线性逼近能力设计干扰观测器,自适应跟踪补偿液体晃动、参数

2、不确定及外扰引起的耦合扰动,解决液体燃料晃动角速度及外扰不易直接测量的问题,提高控制器对系统不确定的自适应能力及液体晃动的抑制能力.同时考虑观测误差与模型不精确问题,利用H1控制策略提高控制器的鲁棒性.通过与现有常用控制策略的对比仿真研究,验证了控制方案的有效性及优势.关键词:航天器姿态运动,混沌控制,液体晃动抑制,干扰观测器PACS:05.45.Gg,05.45.–aDOI:10.7498/aps.63.090502况下,液体晃动特性的变化.文献[7]分析了部分充1引言液航天器在外部扰动激励作用下的混沌运动.文献[8]推导了基于

3、等效摆的充液航天器动力学方程航天器姿态的可预测性在航天工程中是至关及哈密尔顿函数,并探讨了系统的稳定性与混沌运重要的,而混沌姿态运动的存在会使原有的姿态预动行为.现有充液航天器混沌姿态研究主要聚焦于测失效,导致航天器的故障甚至航天任务的失败,混沌运动预测与参数分析准则,这些研究成果为航因此,航天器姿态动力学中的混沌现象受到该领域天器与储液腔的设计提供了一个避免潜在不确定研究人员的广泛关注.如文献[1]探讨了在微小扰混沌的分析工具.然而,真实的液体晃动模型是难动下卫星混沌运动的预测准则.文献[2]分析了引以建立的,现有等效模型在一些

4、特殊的操作环境下力场干扰造成的一类陀螺体卫星混沌姿态.文献(如远地点发动机点火阶段)并不能有效模拟燃料[3]对航天器平面和球面姿态运动中的混沌进行了的非线性晃动特性.因此,基于简化液体晃动模型,总结.随着大型航天器液体推进剂比重与控制精如何通过改进控制算法消除液体晃动引起的混沌度要求的逐渐增长,液体燃料晃动造成的非线性耦合扰动及混沌现象成为航天器混沌姿态动力学研姿态现象,是一个不可忽视的研究问题.究中一个十分重要的课题.如文献[4]建立了筒形在航天器混沌姿态控制方面,文献[9]提出一贮罐内液体晃动的非线性方程,并在稳定性分析的种双

5、自旋航天器典型自旋机动中局部异宿环混沌基础上给出了设计参数的选择原则.文献[5]阐述的消除/避免方法.文献[10]通过构造改进的Mel-了液体晃动现象对航天器结构及运动稳定性有很nikov函数设计控制律,消除陀螺体转子转轴微小大影响.文献[6]研究了航天器燃料在持续消耗情不对称扰动引起的航天器混沌运动.文献[11]基于国家自然科学基金(批准号:61304025)、国家高技术研究发展计划(863计划)和河北省自然科学基金(批准号:F2014203234)资助的课题.†通讯作者.E-mail:lfc@ysu.edu.cn©2014中

6、国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn090502-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.9(2014)090502Lyapunov方法设计了单刚体航天器参数自适应控则模型(1)可变换为如下形式:(())制器.对于考虑液体晃动效应的姿态控制,主要有ω˜˙1−r111=+λ2−1ω˜2ω˜3基于Lyapunov理论、PI和滑模变结构等策略的控r1r1()制方案[1214].综上所述,现有混沌姿态控制主要2+λµ˜η˜1+f˜d1+O(λ),基于稳定性

7、分析与前馈理论设计控制策略,这类方(())ω˜˙=r1−r2+λ1−1ω˜ω˜案对于模型的依赖性较强,对模型不精确与外扰不2rrr2r2131221()可预测的自适应性较差,而且,同时考虑混沌运动2+λµ˜η˜2+f˜d2+O(λ),消除及液体晃动抑制的控制方案研究较少.(())基于上述分析,在复杂充液航天器存在液体ω˜˙=r2−1+λ1−1ω˜ω˜3rr21222晃动与其他干扰耦合影响的情况下,为了能够实()+λµ˜η˜+f˜+O(λ2),现航天器混沌姿态运动的消除与液体燃料晃动的3d3抑制,本文研究了一种基于神经网络干扰观测器

8、ω˜˙1ω˜3η˜2ω˜2η˜3λη˜˙1=−+−−µ˜η˜1+O(λ),(NNDO)的H1控制策略,利用RBF神经网络的非r2r5−1r4−1线性逼近能力设计了复合干扰观测器,对液体燃料λη˜˙=−ω˜˙+ω˜1η˜3−ω˜3η˜1−µ˜η˜+O