太阳帆航天器姿态机动的复合控制研究

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1、2013年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology太阳帆航天器姿态机动的复合控制研究翟坤张瑾王天舒(清华大学航天航空学院，北京100084)摘要输入成型法无法消除姿态机动过程中的柔性振动，残留的柔性振动将改变大柔性太阳帆航天器的结构参数，影响姿态机动的控制精度。为此，基于两种控制手段(作用于太阳帆中心的喷气和作用于支撑杆顶端的电推进)的组合，提出复合控制方法，以消除姿态机动过程中的柔性振动。采用将帆面质量等效到支撑杆的简化方法，建立太阳帆航天器姿态运动与柔性振动的耦合动力学模型，并从减小振动模态的外

2、加激励出发，根据简化的动力学模型，得到了两种复合控制的设计方法：消除某一阶的柔性振动方法和减小前"(竹>1)阶的柔性振动方法。仿真结果表明，相比输入成型法，第二种复合控制方法不但机动时间短，还能够将姿态机动过程中的柔性振动抑制到5％，使机动角度精度优于0．003。。由于仅利用已有的控制手段，复合控制方法算法简单，适合于实际应用。关键词姿态机动输入成型振动抑制复合控制太阳帆航天器DOI：10．3780／j．issn．1000-758X．2013．06．0011引言太阳帆航天器(简称太阳帆)是一种直接利用太阳光子在高反射薄膜表面反射产生推力的新型航天器n

3、]。无需携带大量推进剂，就可实现太阳系的深空探测和星际航行任务。太阳帆在进行深空探测和星际航行等任务过程中，根据任务需不断进行姿态机动，调整太阳帆与太阳光线的夹角，以获得合适的推力。太阳帆具有大柔性空间结构，姿态机动将激起太阳帆的柔性振动，产生影响姿态机动的耦合力矩。而不同于一般的柔性航天器，太阳帆航天器没有质量占优的中心刚体，柔性振动还会造成太阳帆出现严重变形，使转动惯量等结构参数发生剧烈变化，改变太阳帆的动力学特性；同时变形还会造成太阳帆受力不均，产生额外的干扰力矩。而由于太阳帆的振动频率很低，从时间尺度上来看，柔性变形相对姿态机动不再是快周期变

4、化，导致转动惯量的变化和产生的额外干扰力矩均无法忽略，将严重地影响姿态机动过程，甚至造成太阳帆失稳。因此，相对一般柔性航天器，柔性振动对太阳帆姿态机动的影响更加严重。可用于太阳帆姿态机动的控制手段很多，有安装于太阳帆中心的动量轮和喷气等，还有安装于太阳帆支撑杆顶端的电推进和控制叶片等。最初很多文献采用这些姿态控制手段，在忽略了太阳帆柔性振动的情况下，研究了太阳帆的姿态控制问题[2。4]。近年来，随着太阳帆刚柔耦合动力学建模研究的进行睁7】，考虑柔性振动的太阳帆姿态控制研究相应地陆续出现凹。11

5、。文献[10]采用控制叶片研究了柔性太阳帆的姿态机动控制

6、，设计了太阳帆俯仰轴的比例一微分控制器，并指出通过控制叶片的往复摆动可以对太阳帆的柔性振动起到一定的抑制作用，但这种抑制作用是一种被动的柔性振动控制。文献[11]采用输入成型方法研究了太阳帆的开环姿态机动，该方法只能消除姿国家高技术研究发展计划(2012AA7096017)，国家自然科学基金(11302113)资助项目收稿日期：2013—04—15。收修改稿日期：2013—06—212太阳帆航天器动力学建模2-2动力学方程蝴拉絮溉翟第鬻‰确一。：／2研。L2o“7：1I”～n叩十t：∞b=扣詈／o蚍2j7[。。吼2+甜以y㈡d√。吃2刊。9T妒d聊(

7、2)(3)“凹∞雎型h模．跚器，鉴帆吲阳∽麓简，2d图州M姨；!!i生!!旦生垦窒囹型堂垫查§rLF。一2plEoY+Ro031X[10o-1Tapdy(4)JO式中J。为太阳帆相对本体坐标系的转动惯量；M。为支撑杆质量矩阵；F。为支撑杆振动与姿态转动的耦合系数阵；Q。和Q。分别为作用于姿态转动和柔性振动的广义力；A为支撑杆振动固有频率对角阵。考为支撑杆振动阻尼对角阵；缈一印。⋯P：⋯驴。]为1×竹维的模态振型；tI为行×1维模态坐标列阵，11为模态阶数；w(y，￡)为支撑杆的横向变形，通过模态离散可得：w(y，f)一9·tI(5)选择如下的模态振型

8、：似一ch／3iy—COsfliy+善。(shfliy—sin／3iy)(6)3复合控制方法下面详细说明复合控制方法的设计过程，既保证太阳帆的快速姿态机动，还要消除姿态机动过程中的柔性振动，提高太阳帆姿态机动精度。3．1动力学方程的变形在提出复合控制方法前，首先对式(1)进行整理变形。如果只研究太阳帆绕单轴的姿态机动，可得：饥Xlb妣一0。由模态振型的正交性，可得广义质量瞰。M。一㈠0；l，Ml一2』。?；dm=2m∥一1，2，⋯，钾M。l进而可将柔性振动的动力学方程变形为而+2蟛A白+鼢2叼=U／2m。式中U—K(Q。一Fj酊1Q。)；K一(E。一

9、FjJ_1F。／m。)～，E。为单位阵。(7)(8)3．2复合控制方法在初始振动为0时，如果使【，为0，则姿