[发明专利]一种基于能量分析的柔性欠驱动系统控制方法

说明书

本发明涉及一种基于能量分析的柔性欠驱动系统控制方法，建立空间柔性系统的动力学方程；对被控对象的能量进行分析，找到可控状态和不可控状态之间的耦合关系，从而利用这种耦合关系，完成对系统全状态的欠驱动控制。有益效果：充分利用空间柔性系统的状态变量耦合特性，基于能量分析，发明了一种仅利用柔性系绳张力的欠驱动控制方法，大大降低平台卫星和释放子卫星的推力器燃料消耗；发明虚拟状态变量，加强可控状态和不可控状态之间的耦合，并利用这种耦合关系对原本不可控的变量进行控制；控制方法可应用于其他欠驱动控制系统。

技术领域

本发明属于属于航天器控制技术研究领域，涉及一种基于能量分析的柔性欠驱动系统控制方法。

背景技术

由于柔性连接的灵活度高、可扩展性强、可在轨组装等都是，空间柔性系统在空间站、星座卫星、深空探测、轨道转移等方面得到了广泛应用。这些空间柔性连接的应用，都包含了一个基础问题，就是如何将-柔性连接-刚体这一简单连接的基础控制问题解决。

由于系统绕地球轨道运行所产生的科氏力，柔性连接系绳会出现自然摆动。但是传统的系绳摆动抑制控制通常是通过垂直系绳方向的外力矩完成，这种控制方式在实际应用中并不可行，因为这个垂直于系绳的外力矩智能由系绳两端的航天器提供，大大加大航天器的燃料消耗和控制器设计的复杂程度。传统的柔性连接控制方法，例如，申请号为CN201410181680.1的中国专利提出了一种空间绳系系统跟踪最有轨迹的协调控制方法，通过系绳拉力和平台卫星推力器共同实现柔性连接系绳的稳定；申请号为CN201710268861.1的中国发明专利，提出了一种空间绳系系统在保持段的系绳面内面外角稳定控制方法，同样是系绳拉力和平台卫星以及释放子卫星推力器，完成对系绳摆动的控制。如何只利用系绳拉力完成连接航天器的释放/回收的同时，完成柔性连接系绳的摆动抑制控制是本发明重点。

在此研究背景下，系统的控制输入个数少于被控状态，属于经典的欠驱动控制问题。但是不同于以往的分层滑模等欠驱动控制算法，本发明从被研究对象的能量出发，发现了被控状态之间的内在耦合联系，并将之强化，最终利用这种耦合关系，完成不可控状态的收敛。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于能量分析的柔性欠驱动系统控制方法，在前有发明研究的基础上，基于被控系统能量分析，提出了一种只利用系绳张力控制的空间柔性系统欠驱动控制方法，从而实现柔性连接系绳的快速稳定控制。

技术方案

一种基于能量分析的柔性欠驱动系统控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立空间柔性系统的动力学方程：

α″＝-2(Λ′/Λ)(α′+1)-3sinαcosα

其中，α，α′和α″分别表示柔性系绳摆动的轨道面内角、角速度和角加速度；Λ，Λ′和Λ″分别表示柔性系绳的长度、释放/回收速度和加速度；T表示系绳控制张力；Ω表示轨道角速度；表示质量系数，其具体表示为其中m₁，m₂和m_t分别为平台卫星、释放卫星和柔性系绳质量；

步骤2：计算系统的总能量为：

通过对能量求相对轨道的偏导数E′＝FΛ′，其中F＝T/Ω²；

步骤3：设计虚拟状态变量且虚拟状态变量满足从而使得系统的全状态收敛于期望值；

步骤4：设计系绳张力控制器，即系绳拉力为：