一类带液体晃动的航天器滑模姿态控制器设计

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1、2015年4月中国空间科学技术。。第2期ChineseSpaceScienceandTechnology-v一类带液体晃动的航天器滑模姿态控制器设计杜辉郝金华邢林峰李亚强(北京控制工程研究所，北京100190)摘要针对一类带液体晃动的航天器，在建立系统数学模型的基础上，利用一种增量滑模的设计方法来设计控制器。将系统状态变量分成可自行到达平衡位置和需要施加控制才能到达平衡位置两部分，对于需要施加控制达到预定平衡位置的状态变量，用增量滑模控制来设计控制律，将其分解成两个子系统，选取一个子系统的状态变量构造第一层滑模面，然后将第一层滑模面看

2、成一个状态变量与另外一个子系统的状态变量构造第二层滑模面，最后采用Lyapunov方法求取总控制量。"-3系统接近平衡位置时，增量滑模控制器可以在保证最后一级稳定的情况下实现整个系统各个状态的控制，在30S内可以保证系统能够稳定在最终的平衡位置上。仿真结果表明，该方法能很好地达到控制效果。关键词增量滑模；变结构；姿态控制；滑动平面；带液体晃动航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．02．0091引言当前，航天事业的发展要求延长航天器工作寿命及提高其在轨运动的稳定性，因此液体燃料占航天器总质量的比值相应

3、加大。当贮箱部分充满液体燃料时，在平动和转动中，液体燃料不断晃动，对航天器产生显著的干扰力、干扰力矩和冲击压力，使航天器呈现非线性、参数时变等复杂的动力学行为，对航天器的姿态控制和稳定性产生重大影响。1969年ATS—V航天器和2000年NEAR航天器的失效，以及2007年SpaceX运载火箭发射失败均是由贮箱内液体燃料晃动所导致的。1。。因此如何抑制液体燃料晃动对航天器姿态控制的干扰是一个难点，已有很多学者对此展开了研究比1⋯。文献[1]针对带液体晃动航天器设计了自适应极点配置姿态控制器，该控制器利用在线参数估计，不断更新控制规律，

4、但设计过程相对复杂，主要用于研究非最小相位系统；文献E23用退步法设计了带液体晃动的航天器姿态控制器，该控制器只适应于带有积分环节的非线性系统；文献[-33针对带液体晃动的火箭设计了姿态控制器和晃动观测器，利用晃动观测器来估计晃动的相关状态量，很难证明系统的闭环稳定性。其他一些工业领域也曾针对液体晃动采用过一些控制方法』6

5、，尽管它们在各自条件下所建立的模型中仿真效果也不错，但对带液体晃动的航天器的姿态控制效果并不理想。针对有加速度条件下带液体晃动的航天器，本文利用增量滑模控制方法口3设计了一种姿态控制器。该控制器设计简单，在将航天器

6、控制到目标状态的同时可抑制液体燃料的晃动，且系统能够很快到达平衡点，控制器输出很平滑，没有抖动，仿真实例验证了该方法的有效性。该控制器设计方法简便，控制效果理想，系统闭环稳定性能得到证明。收稿日期：2014-0625。收修改稿日期：201409—1264中国空间科学技术2015年4月2带液体晃动的航天器数学模型带液体晃动的航天器的姿态控制对航天器变轨、交会对接及姿态跟踪目标的达成非常重要。本文研究了在有加速度条件下，在某固定平面内运动的带液体晃动的刚体航天器动力学与姿态控制问题。如图1所示，建立航天器轨道坐标系O。z。Y。z。和本体坐

7、标系O，钆yb‰，把带液体晃动的航天器可抽象成以下模型：航天器质量为仇，转动惯量为I；晃动液体的质量为优，，转动惯量为j，，晃动等效单摆的摆长为n；T为沿本体坐标系z。轴的常值推力，液体不晃时，r的方向过航天器质心；推力F和力矩M为姿态控制输入；口，、u：分别为航天器沿“轴和‰轴的速度；口为航天器绕Y。轴转过的角度；妒为液体晃动等效单摆相对航天器‰轴偏转的角度；￡为晃动的能量耗散系数。T、F和M分别表示推力矢量T、F和力矩矢量M的大小。图1带液体晃动的航天器示意Fig．1Sketchmapofspacecraftwithfuelslo

8、sh由文献E2]可知，带液体晃动的航天器动力学方程为(优+mf)(0。+锄；)+mfn(净+茹)sin9+优功2+mf口(自+参)2cos9一丁(埘+mf)(u：一∞，)+mfa(O+9)cosq+mbO—mfa(口+9)2sin9一F(f+m62)汐+mb(0。一如。)一M+Fb(If+优f口2)(汐+多)+mfn(0。+如：)sin9+mf口(0。一如，)cos9+面一0建立该模型的前提条件：推力T较大，且为恒定常值，不考虑液体燃料的消耗。基于上述模型条件，式(1)可以改写为(1)(2)(3)(4)0，+锄：一：j1。，IT一优f

9、口(汐+9)sin9一优6自2一mf口(自+章)2cosgl(5)m十优f‘在航天器机动时，若姿态角变化较小，晃动为微幅晃动时，液体晃动对沿矾轴方向的加速度有影响，但影响较小，因此式(5)可以近似为o，+如：一—I(6)