[发明专利]基于频域分析的挠性卫星高稳定度姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及挠性卫星姿态控制领域。

背景技术

当今时代，日趋激烈的综合国力竞争，必然会促进科学技术的迅猛发展。由于在军事领域与民用方面有着突出的贡献和重要的作用，航天科技持续进步并且一直以来受到了国家以及科研人员的密切关注。卫星作为航天科技的产物，现如今已得到了广泛的应用，包括通信、气象观测、导航等。

随着技术的逐渐成熟和对太空探索需求的日益增多，卫星具有了更大的尺寸，结构也变得十分复杂，通常安装有用以实现各种功能的附件，如太阳帆板、运动天线等，这便对控制提出较高要求。同时，精度、稳定度、响应速度和使用寿命等指标即成为姿态控制系统设计时所注重的要素。

挠性卫星姿态控制系统所面对的是具有参数及动态不确定和存在干扰影响的非线性系统，同时卫星的控制性能指标大大提高，要求姿态具有高指向精度和稳定度，在此基础上如何设计合理、有效的控制方法，是一直以来需要解决的问题。

与控制理论的发展过程相同，挠性卫星的姿态控制方法也可分为古典控制方法、现代控制方法和智能控制方法以及它们之间相互结合渗透而产生的综合控制方法，文献“Improved satellite attitude control using a disturbance compensator”采用PD加干扰补偿器的控制方法，实现了对挠性影响及干扰的抑制，达到姿态稳定，同时引入低通滤波器处理高频模态影响；文献“挠性飞行器飞轮姿态控制系统设计”针对使用飞轮控制的挠性飞行器基于单轴解耦模型设计了PID控制器并给出了参数整定方法，仿真验证了其良好的控制效果较好；文献“航天器姿态机动及稳定的自抗扰控制”采用自抗扰控制方法，通过非线性误差反馈律与扩张观测器，有效补偿了干扰等不确定因素的影响，并达到了姿态机动后的高稳定度要求；文献“Optimal attitude control for three-axis stabilized flexible spacecraft”针对飞轮为执行机构的三轴稳定挠性航天器运用LQR方法设计最优控制器，在振动抑制和姿态控制上获得了满意的效果；文献“Low-order robust attitude control of an earth observation satellite”采用H∞理论设计了低阶鲁棒控制器，相比于之前SPOT系统中的卫星，控制效果有了很大改善。文献“Adaptive fuzzy sliding mode control for flexible satellite”考虑将模糊控制与滑模控制相结合并引入自适应方法，用于控制挠性卫星的姿态，获得了很高的姿态控制精度。文献“三轴稳定挠性卫星姿态机动时变滑模变结构和主动振动控制”针对挠性卫星姿态机动的问题，考虑控制力矩受限的情况，采用了滑模控制的方法，同时利用压电元件对振动进行主动控制。文献“基于输入成形的挠性航天器自适应滑模控制”结合输入成型方法与自适应滑模控制方法进行控制律设计，使系统在参数不确定性和外界扰动影响下完成对标称系统的跟踪，同时抑制了挠性振动。

发明内容

本发明提出了基于频域分析的挠性卫星高稳定度姿态控制方法，目的在于通过减小从干扰输入到角速度输出的幅频响应，从而实现对挠性卫星的高稳定度姿态控制。

基于频域分析的挠性卫星高稳定度姿态控制方法包括滚动轴控制方法、俯仰轴控制方法和偏航轴控制方法，所述俯仰轴控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立挠性卫星的动力学模型，并进行小角度假设并简化，对简化后的动力学模型取单一附件，获得频域方程；

步骤二、根据频域方程获得实际俯仰角θ与总力矩T之间的传递函数关系，并根据实际俯仰角θ与总力矩T之间的关系获得挠性卫星俯仰轴简化模型；

步骤三、在挠性卫星俯仰轴简化模型中，略去控制器部分并将挠性模态影响全部归入干扰中，获得干扰补偿器Z的表达式；

步骤四、对加入干扰补偿器后的挠性卫星俯仰轴简化模型进行频域分析，获得挠性影响广义干扰化分析结果和挠性影响非广义干扰化分析结果；

步骤五、根据挠性影响广义干扰化分析结果和挠性影响非广义干扰化分析结果获得干扰补偿器Z的滤波参数和PD控制参数；

步骤六、向俯仰通道系统中加入干扰补偿器Z，对俯仰通道采用PD控制，实现挠性卫星俯仰轴姿态控制；

步骤七、通过步骤一至步骤六所述的过程对滚动轴姿态和偏航轴姿态分别进行控制，实现挠性卫星姿态控制。