在轨航天器非线性姿态控制系统稳态特性研究

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1、2012年第4期导弹与航天运载技术No．42012总第320期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo．320文章编号：1004．7182(2012)04-0010．05在轨航天器非线性姿态控制系统稳态特性研究张艳，李世鹏(北京宇航系统工程研究所，北京，100076)摘要：在轨航天器执行机构一般具有典型的非线性特性，直接影响飞行姿态控制性能。基于姿态控制系统模型，应用相平面分析方法，建立含继电器和时延两类非线性特性的执行机构开关线模型。以开关线模型为基础，根据相轨迹图求解极限环参数，获得

2、姿态控制的稳态特性。仿真结果表明非线性姿态控制系统特性的计算模型和方法正确、有效。关键词：姿态控制；非线性特性；在轨航天器中图分类号：V448．22文献标识码：ASteady—StateCharacteristicsofNonlinearAttitudeControlSystemforIn—orbitSpacecraftZhangYan，LiShipeng(BeijingInstituteofSpaceSystemEngineering，Beijing，100076)．Abstract：Ingeneral

3、，theactuatorofin—orbitspacecrafthastypicalnonlinearcharacteristicswhichdirectlyaffectstheperformanceofaRitudecontr01．Basedontheframeworkofattitudecontrolsystem，themodelsofswitchlinesaredevelopedusingphaseplaneanalysismethodfortheactuatorwhichhasbothrelaya

4、nddelaycharacteristics．Applyingtheseswitchlinemodels，theparametersoflimitcyclearederivedaccordingtophasetrajectories，sothesteady-stateerrorsofattitudecontrolareobtained．Simulationresultsillustratethattheproposedanalysismethodiscorrectandeffective．KeyWords

5、：Attitudecontrol；Nonlinearcharacteristics；In—orbitspacecraft．0引言在轨航天器飞行过程中，仅受到很小的干扰作用，其姿态控制往往利用姿态控制发动机来进行调节【l】，且多通过电磁阀实现断续姿控方案【2】。因此，在轨航天器的执行机构一般具有继电器特性和时延特性等典型的非线性工作特性【2】，这些特性直接影响姿态控制性能。本文针对执行机构的继电器和时延两类非线性工作特性对姿态控制性能的影响进行研究。首先，给出姿态控制系统框图，并建立各环节模型。然后，应用相

6、平面分析方法【3】，建立继电器特性和时延特性共同作用下的开关线模型。在开关线模型基础上，根据相轨迹图求解姿态轨迹对应的极限环参数，获得姿态控制的稳态特性。最后，通过仿真验证本文研究成果。l姿态控制系统假定航天器飞行过程中，俯仰、偏航和滚转三通收稿日期：2012-02-21作者简介：张艳(1981．)，女，工程师，主要研究方向为航天器姿态控制道已实现解耦控制，本文仅以俯仰通道为例进行论述。俯仰通道姿态控制系统的原理如图1所示。图l俯仰通道姿态控制系统}～校正网络输出电流：J0_一执行机构继电器特性环节输出的

7、定值指令电流Mz—俯仰通道的干扰力矩：△妒—俯仰角偏差图l中各环节的模型如下：a)动力学模型。航天器处于近真空环境下，其刚体动力学可用如下方程描述：{第4期张艳等在轨航天器非线性姿态控制系统稳态特性研究1AO=一b3Kq,+皿(1)式中坟为控制力矩系数；五乙为俯仰通道量化合成干扰力矩，死=屹／以，以为航天器俯仰通道对应的转动惯量；Ka,对应执行机构的电磁阀正向开启、零位和负向开启状态时分别取值l、0和一1，。b)敏感装置。敏感装置通频带较弹体刚体动力学通频带宽得多，可近似为纯放大环节，静态放大倍数为k。c

8、)校正网络。校正网络可视为一阶微分环节，即kd(bs+1)Aq，，其中：s为拉普拉斯算子，七d为校正网络静态放大系数，b为角速率放大系数。d)继电器特性。继电器特性可分为过零和不过零两类，其特性分别如图2所示。-』，0--／ore～聊fOffl”．fⅢlom／orefJ0J』-／0一20m／omir-／0a)过零b)不过零图2继电器特性乇。一继电器特性开启门坎值；厶—输出指令电流：删环系数，0