[发明专利]基于自抗扰控制技术的碎片抓捕后轨道转移控制方法

说明书

技术领域

本发明属于轨道转移控制领域，具体公开了一种基于自抗扰控制技术的碎片抓捕后轨道转移控制方法。

背景技术

近年来，随着经济实力的增强和航天技术的发展，人类对于空间的探索活动也急剧增加。空间碎片是指分布在地球轨道上，并且已经丧失功能的空间物体。从第一颗人造卫星成功发射升空，空间碎片就已经出现了。然而几十年以后，空间碎片对在轨航天器的威胁才被人们重视。到目前为止，美国空间检测平台检测到大约有17000个在轨运行的物体，然而只有1200件为正常工作的卫星或其它航天器。如果不加以控制，随着人类空间活动的继续，空间碎片的数量增长到一定程度后，主动清除碎片的速度会低于碎片产生的速度，这样就会形成一种“凯斯勒综合”链式反应，最终整个轨道空间将布满空间碎片。

在碎片清除任务中，主要包括以下几个过程：接近碎片、抓捕碎片、抓捕后轨道转移。与航天器轨道转移不同之处在于，抓捕后组合系统不仅具有非线性、多输入多输出、时变、高阶等的特点，而且具有不确定性，很难应用传统的基于精确模型的“现代控制理论”对其进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自抗扰控制技术的碎片抓捕后轨道转移控制方法，该方法基于自抗扰控制技术，对多变量的抓捕后组合系统进行解耦控制，确保抓捕后组合系统能精确跟随预先规划的轨迹实现碎片轨道转移。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于自抗扰控制技术的碎片抓捕后轨道转移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立抓捕后组合系统的动力学模型，根据抓捕后组合系统的运动方程，通过引入虚拟控制量U，将抓捕后组合系统的每一个通道解耦为单输入-单输出的子控制系统；

步骤二：根据每个子控制系统的控制模型，设计非线性动态补偿控制律；

步骤三：设计每个通道的自抗扰控制器，包括跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制律，以得到每个通道的虚拟控制量；

步骤四：根据每个通道的虚拟控制量，得出所需的实际控制量。

优选地，步骤一中，对于抓捕后组合系统，其动力学模型方程如下式：

选取状态空间：

其中，p_0b为航天器质心位置，Θ_0b代表航天器姿态的欧拉角，和为航天器的线速度和角速度，q为操纵机构的关节位置；τ_v是由推进器所产生的作用于航天器的力，τ_ω是由推进器动量陀螺或反作用轮所产生的作用于航天器的力矩，τ_q是操纵器力矩；

将该抓捕后组合系统动力学方程写为如下状态空间方程形式：

假设该多输入-多输出系统是m输入-m输出系统，控制量的放大系数b_ij是状态变量和时间的函数矩阵可逆；

将控制量之外的模型部分f(x₁，x₂，...，x_m)＝[f₁ f₂...f_m]^T称作动态耦合部分，把部分称作静态耦合部分；

记x＝[x₁，x₂...x_m]^T，f＝[x₁，x₂...x_m]^T，u＝[u₁ u₂...u_m]^T，并引入虚拟控制量则系统状态方程变为：

在这个系统中的第i通道的输入输出关系为：

每一个通道的虚拟控制量U_i与被控输出y_i之间是单输入-单输出关系，即第i通道的被控输出y_i和虚拟控制量之间U_i已经被完全解耦了，而则是作用于第i通道上的扰动总和；

只要有控制量y_i的目标值且y_i能被测量，那么在U_i和y_i之间嵌入一个自抗扰控制器就完全能够让y_i达到目标在控制向量U与输出向量y之间并行地嵌入m个自抗扰控制器能实现多变量系统的解耦控制；系统动态耦合作用的各分量在解耦控制中被当作各自通道上的扰动总和来被估计并补偿掉。