[发明专利]基于线性化反馈控制的空间绳系组合体二维摆动控制方法

说明书

本发明公开了一种基于线性化反馈控制的空间绳系组合体二维摆动控制方法。建立空间固定直角坐标系，根据拉格朗日方程建立得到空间绳系组合体的摆动动力学模型，建立线性化反馈控制的摆角抑制控制方式、速度反馈控制方式、位置反馈控制方式，分别处理获得摆角、速度、位置的控制量并复合计算获得总控制量带入到摆动动力学模型中进行控制。本发明方法实现空间绳系组合体二维摆动控制，具有控制器设计简单、工程可实现性强及控制效果好等优点。

技术领域

本发明涉及空间绳系组合体的控制，尤其涉及一种基于线性化反馈控制的空间绳系组合体二维摆动控制方法。

背景技术

空间绳系系统，是指利用柔性系绳连接多个卫星或航天器组成的飞行系统。二体绳系系统作为典型的空间绳系，一般由两个航天器和将两者相连的长缆绳组成。二体绳系是进行绳系系统分析的基础。目前，学者们以二体绳系捕获过程为研究对象开展了大量研究，研究出一套基于绳长速率控制、推力器控制、系绳张力控制、力矩控制等的控制方法，在姿态稳定、系绳收放稳定等研究中取得了良好的效果。对于二体绳系中出现的周期运动，有文献指出面内振动的振幅数倍于面外振动的振幅，对面外摆角常给出已达稳定的假设，因此许多研究关注的目标在于面内摆角的消除，并将二体绳系的周期运动近似假设为平面运动。但实际上，绳系组合体的面内外摆动是相互耦合的，为此本发明以空间悬浮状态下的拖拽绳系组合体为研究对象，进行基于任务平台加速度控制的空间绳系组合体二维摆动控制研究。

发明内容

针对空间拖拽绳系组合体的二维摆动问题，本发明的目的在于提供一种基于线性化反馈控制的空间绳系组合体二维摆动控制方法，是一种控制器设计简单、工程可实现性强及控制效果好等优点。

为了达到上述发明目的，如图2所示，本发明采用的技术方案的步骤如下：

步骤1)以拖拽方向作为Z轴，垂直于拖拽方向的平面上建立XY轴，构建XYZ三维笛卡尔坐标系作为空间固定直角坐标系；根据拉格朗日方程建立得到空间绳系组合体的摆动动力学模型为：

其中：(x，y，z)为任务平台的质心O₀在空间固定直角坐标系的三维坐标，m为目标星的质量，l为任务平台和目标星之间的系绳长度，F_T表示系绳张力，θ为O₀O₁在XZ平面的投影与锥体中心线之间的夹角即空间绳系组合体的面内摆角，为O₀O₁在XZ平面的投影与O₀O₁之间的夹角即空间绳系组合体的面外摆角，O₁为目标星的质心；字母上的一点表示一阶导数，字母上的两点表示二阶导数；

步骤2)在拖拽过程中，任务平台质心O₀在Z轴方向上的加速度和系绳长度l固定不变，以任务平台质心O₀在X和Y轴方向上的加速度作为控制输入量进行控制器设计，根据线性化反馈控制建立以下摆角抑制控制方式：

其中，u_ax,u_ay分别表示实现摆角控制的X轴和Y轴方向加速度控制量，k_pθ、k_dθ分别为面内摆角θ的PD控制器的比例及微分系数，分别为面外摆角的PD控制器的比例系数及微分系数；

步骤3)由速度差值作为速度闭环输入，速度反馈值来自于对任务平台质心O₀加速度的积分，从摆角控制考虑，速度闭环环节中的控制量作为扰动引入前向通道，建立以下速度反馈控制方式：