单轴台的大角度姿态快速机动联合控制方法

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1、中国空间科学技术chinesespacescienceandTechnQi里jg盟2013年6月第3期单轴台的大角度姿态快速机动联合控制方法唐生勇1胡敏2吴锦杰3张育林1’3(1哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨150080)(2装备学院，北京101416)(3国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要为验证小卫星大角度姿态快速机动与高精度稳定控制能力，基于单轴气浮台硬件仿真环境，提出了一种利用推力器与飞轮组合的联合控制策略。采用相平面控制技术与有限时间控制理论设计控制器，利用推力器实现无超调的快速机动控

2、制，利用飞轮实现有限时间内的高精度稳定控制，使单轴台在有限时间内快速高精度稳定于目标姿态。物理仿真结果表明：该方法在有限时间内完成单轴台快速稳定控制的同时，可有效避免机动过程中的超调现象，且能有效规避推力器的频繁开关与飞轮的过快饱和等问题。关键词单轴气浮台大角度机动高精度稳定有限时间控制物理仿真小卫星DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．03．0021引言现代灵敏小卫星要求控制系统具备多目标姿态的快速捕获、再定向与跟踪控制能力，以满足不同应用背景下的多目标确定与跟踪控制任务需求[1]。一方面，

3、灵敏小卫星应具备大角度姿态快速机动能力，实现不同控制模式、不同期望姿态间的快速切换，并为有效载荷提供尽可能长的工作时间；另一方面，灵敏小卫星还应具备高精度稳定控制能力，为有效载荷提供稳定的工作平台。针对灵敏小卫星的姿态快速机动与高精度稳定控制已然成为灵敏小卫星的关键技术与研究热点之一。为实现航天器快速机动与高精度稳定控制，可采用控制力矩陀螺或推力器与飞轮相结合的方式。前者输出力矩范围大，机构较复杂，在大型航天器姿态控制系统中应用较为广泛心。3]。而在实际应用中，还应考虑挠性附件与液体燃料等因素对姿态动力学的非线性特性影响[

4、3]。采用推力器与飞轮的联合控制可发挥各自特长，实现优势互补，适用于中小型航天器的姿态控制。联合策略主要以推力器的力矩输出保证姿态机动的快速性，以飞轮的精确力矩输出保证姿态稳定的高精度。为此，Hall等针对姿态跟踪控制问题提出了联合控制策略[4]。叶东等针对推力器输出力矩不够准确等问题，设计了变结构姿态跟踪控制器[5]。物理仿真研究方面，文献[6—7]均采用了相平面+比例微分(ProportionalplusDerivative，PD)组合控制算法实现单轴台大角度机动，解决了推力器的频繁开关与飞轮饱和等问题，然而受推力幅值

5、偏差等因素影响，单纯的开关线设计极易导致超调现象的出现，这与姿态机动的快速性期望是相矛盾的。此外，PD控制算法仅能保证系统的渐近稳定性，不适于在控制精度要求较高的任务中应用。本文基于实验室单轴台硬件仿真环境，采用推力器与飞轮组合，实现单轴台的大角度姿态快速机动与高精度稳定控制。设计控制器实现推力器与飞轮指令的合理分配，在规避推力器频繁开关与飞轮饱和等问题基础上，无超调地实现大角度姿态机动的快速性与高精度稳定性。国家自然科学基金(60704020)资助项目收稿日期：2012一08一02。收修改稿日期：2012—1205201

6、3年6月中国空间科学技术单轴气浮台仿真系统单轴气浮台仿真系统组成如图1所示。平台圆盘由高压气体悬浮支撑，铅垂面方向可360。自由转动，模拟航天器的偏航轴运动。平台底部安装光电码盘反馈角度信息，光纤陀螺负责测量角速度信息，推力器与飞轮可作为姿态机动的执行机构。各部件均由无线自组织网络节点与星载计算机相连，实现信息收集与指令传发。星载机通过无线节点与地面计算机通信，实现程序下载、运行调试以及试验数据收集等功能。无刮专避7

7、图1单轴台组件示意Fig．1Componentsofthesingle～axisairbearingtab

8、le3大角度姿态快速机动与高精度稳定控制算法设计控制算法设计根据单轴台现有状态与期望姿态确定推力器与飞轮控制指令，使平台朝着期望姿态运动。这里首先描述单轴台的动力学与运动学，再对有限时间控制理论作简要介绍，最后基于相平面与有限时间控制理论给出控制算法。3．1单轴台动力学与运动学单轴台姿态运动可描述为双积分系统占一∞，二一e1(以。+n。)(1)式中9为单轴台姿态角；∞为单轴台姿态角速度；J。为单轴台转动惯量，J。一21kg·m2；n。为控制力矩；n。为干扰力矩。推力器与飞轮可能出现以下4种工作模式。模式1：推力器2、4开，

9、推力器1、3与飞轮关。此时推力器产生俯视方向的逆时针力矩，记角加速度为口。一(F2+F。)L／J。(2)其中力臂L一1m，推力大小Fz—Fa—O．3N。模式2：推力器1、3开，推力器2、4与飞轮关。此时推力器产生俯视方向的顺时针力矩，F。一F。一o．3N，记角加速度为一口。。模式3：推力器、飞轮全关。此