[发明专利]一种挠性航天器姿态控制系统的强抗扰控制方法

说明书

本发明涉及一种挠性航天器姿态控制系统的强抗扰控制方法，针对含有非线性动态、挠性振动以及测量噪声多源干扰的挠性航天器姿态控制系统；首先，根据挠性航天器的非线性欧拉角运动学和姿态动力学建立系统的多源干扰模型，完成多源干扰的数学表征与建模；其次，在数学表征与建模的基础上设计干扰观测器对挠性振动进行估计；再次，根据干扰观测器的输出设计扩张状态观测器对系统状态及非线性动态进行估计；最后，根据干扰观测器以及扩张状态观测器的估计值设计强抗扰控制器，基于极点配置求解未知增益，完成强抗扰控制器的设计；本发明具有抗干扰能力强、控制精度高等优点，可用于挠性航天器的高精度控制。

技术领域

本发明涉及一种挠性航天器姿态控制系统的强抗扰控制方法，可以实现挠性航天器多种干扰及未知非线性函数的同时补偿，可用于挠性航天器高精度的姿态控制中。

背景技术

随着航天技术的发展，重力梯度测量、对地观测、激光通讯以及太空观测等精密的航天任务都对航天器的姿态控制精度提出了极高的要求，例如，以“詹姆斯韦伯”为代表的下一代太空望远镜指向精度要求达到0.004角秒。高精度的姿态需求对航天器的姿态控制能力提出了极高的要求，然而，不同通道、不同来源的挠性振动、非线性动态、传感器噪声以及环境干扰等多源干扰严重制约了航天器姿态精度的提升。首先，越来越多的航天器带有太阳帆板、大型天线等挠性附件，例如日本ETS-Ⅷ卫星挠性附件展开后的长度达到40米左右。这些轻质大挠性附件，使得航天器的动力学模型变得十分复杂，为典型的非线性、多耦合、无穷自由度的分布参数系统，这给航天器的高精度姿态控制带来巨大挑战。其次，欧拉角描述的航天器姿态动力学具有简单直观的优势，但是目前常用的线性欧拉角动力学模型都是基于小角度线性化得到的，相应的控制方法大都没有考虑线性化带来的模型误差，都是基于理想的线性化模型设计的。然而，这些模型误差与控制系统的状态以及状态导数强烈耦合，基于线性化模型设计的控制方法往往使得控制性能无法得到保障，甚至会使系统发散。再次，航天器的地球敏感器、陀螺仪等传感器自身存在的测量噪声也进一步制约了姿态控制系统的提升，严重影响着整个闭环系统的性能。

针对多种干扰环境下挠性航天器高精度姿态控制的难题，目前常用的控制方法有PID控制、最优控制、H_∞控制等。产生于上世纪二十年代的PID控制由于其结构简单、不依赖于系统模型等优点，使得其迄今为止一直在工业控制中处于支配地位。然而，PID控制也有其局限性，比如完全忽略了系统的模型信息、微分信号难以提取、积分环节带来相位滞后以及调参比较繁琐等，难以实现复杂环境下的精确姿态控制问题。最优控制可以实现某一性能指标的最优性，但是当系统存在多种不确定性或干扰时，其性能难以得到保证。H_∞控制可以实现有界干扰的有效抑制，具有一定的鲁棒性，但是H_∞控制将所有干扰当作单一范数有界干扰来处理，保守性较大，依然难以实现高精度的控制效果。因此，多源干扰下挠性航天器的高精度姿态控制是一个具有挑战性的理论与工程难题。

为了克服最优控制以及H_∞控制等传统抗干扰控制只能针对单一类型干扰系统且只能进行干扰抑制的局限性，基于干扰观测器的控制(DOBC)得到了广泛的研究。DOBC充分利用了干扰的模型信息，可以对常值、谐波等多种可建模干扰进行有效的估计与补偿，并且当干扰模型存在不确定性时依然具备良好的估计与补偿能力。此外，DOBC还可以方便的与其它控制方法相结合，利用复合分层抗干扰控制实现多源干扰的同时抑制与补偿。例如，在文献(Liu H,Guo L,Zhang Y M,An Anti-Disturbance PD Control Scheme for AttitudeControl and Stabilization of Flexible Spacecraft,Nonlinear Dynamics,2012,67(3):2081-2088.)中，DOBC与PD控制相结合实现了挠性航天器的高精度姿态控制问题，但是，目前的复合分层抗干扰控制也存在一些不足之处：首先，DOBC在对可建模干扰进行估计与补偿时，缺乏对模型误差等非线性动态的估计与补偿作用，非线性动态的存在严重制约了可建模干扰的估计与补偿性能，甚至干扰估计误差发散。