带挠性附件航天器的鲁棒姿态跟踪控制

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1、万方数据第30卷第3期2009年5月宇航学报JournalofAstronauticsV01．30No．3May2009带挠性附件航天器的鲁棒姿态跟踪控制李争学1，王本利1，马兴瑞2(1．哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150080；2．中国航天科技集团，北京100037)摘要：首先在时域上估计了挠性附件的振动对航天器姿态的影响力矩的界函数。该界函数的得到一方面无需知道附件参数的精确值，只需要知道参数的界限，另一方面仅利用了角速度和已知的振动控制信号，非常适用于无需模态坐标反馈的非线性姿态控制器设计。然后把

2、它用于带挠性附件航天器的姿态跟踪控制，所得控制器具有如下优良特性：(1)对系统参数不确定性鲁棒；(2)不需要模态坐标反馈，也不需要模态观测器；(3)能抑制一般的外干扰；(4)能与多种附件振动控制器相结合。数值仿真验证了控制器的有效性。关键词：挠性航天器；姿态控制；鲁棒控制；干扰抑制中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000-132812009)03．0974．08DOI：10．3873／j．issn．1000-1328．2009．00．0250引言带挠性附件的空间航天器姿态控制问题近些年来一直是航

3、天领域的研究热点。不同情况下描述航天器运动的系统方程有所不同，研究人员所采用的具有针对性的控制方法因之也有所不同。当航天器姿态为小范围运动时，线性方程就可以很好的描述系统运动，针对这种线性方程所采用的控制方法多种多样；当航天器绕单轴转动、而且附件形状简单时，姿态方程形式比较简单，而且此时描述附件振动的偏微分方程也不复杂，相对容易处理，Lyapunov方法可以用来针对这种方程设计控制器n’2]，等等。本文针对的是下面这种情况：当航天器做一般形式的大角度机动时，姿态方程必须采用非线性方程来描述，角速度不太大时附件振

4、动方程可以采用离散化后的线性方程来描述。针对这种情况下的姿态控制问题，Monaco和Stomelli【31采用反馈线性化的方法设计了一个输入输出解耦控制器，该控制器的缺点在于需要模态坐标反馈，同时也需要精确知道系统的所有参数。近些年来DiGennaro也作了很多研究H‘1川。文献[4—10]采用观测器观测模态坐标及其速度，以这种观测器为基础对姿态机动、跟踪问题作了一系列研究。但是构造模态观测器一方面需要精确知道附件的参数，而实际中所能得到的参数可收稿日期：2008-05．10；修回日期：2008-06-25能会

5、很不精确，另一方面也会带来观测溢出问题。文献[10]最后还证明了文献[12]中针对刚体航天器得到的一个控制器也适用于柔性航天器，该控制器仅需四元素反馈，不需要模态坐标及其速度反馈，也不需要模态观测器，同时也完全不需要系统参数信息。该控制器把柔性航天器鲁棒姿态稳定／机动问题解决得非常好。但是，该控制器只适用于无外干扰时的姿态稳定／机动控制，不适用有外干扰或者姿态跟踪的情况。而且，由于控制器中没有明确考虑柔性附件对姿态的影响，因而应用于挠性航天器时快速性不是很好，对附件振动抑制效果不是很好。文献[12]针对重力梯度

6、干扰设计了姿态控制器来跟踪期望轨迹。该控制器仅利用姿态和角速度反馈，不需要模态观测器，也不需要知道航天器参数的任何信息，而是在控制过程中自适应调整控制器所需参数。当参考角速度L。有界、参考角加速度￡。有界并且￡：有界时，该控制器可以渐进跟踪这类参考信号，当参考角速度和角加速度都是L。有界时，该控制器能保证跟踪误差有界。胡庆雷和马广富H3’14】采用变结构控制方法研究了存在参数不确定、有界的匹配外干扰、尤其是执行机构存在非线性／死区时的姿态控制问题。所设计的控制器的一个优点是当系统运动到达滑动平面后滑动模态的运动

7、对参数摄动和外干扰不敏感，另一个优点是不需要模态坐标万方数据第3期李争学等：带挠性附件航天器的鲁棒姿态跟踪控制975反馈。然而该控制器的使用需要事先知道航天器运动的整个过程中系统角动量的界限，这是其一个局限性。另一个问题就是，该控制器需要精确知道输入分配矩阵的值，这意味着用于姿态控制时需要精确知道转动航天器惯量和模态角动量阵的值，这显然与文中解决参数不确定性这一目标相矛盾。本文首先在时域上得到了挠性附件的振动对姿态的影响力矩的界函数。该界函数的得到一方面无需知道附件参数的精确值，只需要知道参数的界限，另一方面仅

8、利用了容易测量的角速度和已知的控制信号。然后把该界函数用于带挠性附件航天器的姿态跟踪控制器，所得控制器具有如下优良特性：(1)对系统参数不确定性鲁棒；(2)不需要模态坐标反馈，也不需要模态观测器；(3)能有效抑制一般的外干扰；(4)能与多种附件振动控制器有效结合，二者相结合后姿态和振动的控制效果相得益彰。1动力学方程采用压电作动器控制附件振动，带挠性附件的航天器姿态跟踪误差动力学方程如