[发明专利]基于航天器三超相互制约与耦合的姿态控制方法及系统

说明书

一种基于航天器三超相互制约与耦合的姿态控制方法及系统，包括：建立引入二级控制后的控制模型；对空间结构的载荷和星体分别建立有限元模型；分别建立载荷和星体的动力学方程，计算载荷和星体的模态集，并将载荷和星体的动力学方程变换至各自的模态空间；由载荷、星体的模态空间动力学方程和主动指向超静平台动力学方程，建立三超平台动力学方程；根据实际控制作用和被控量得到变换矩阵，对三超平台动力学方程进行输入输出变换，得到以物理坐标为输入、输出的状态空间方程；根据状态空间方程得到控制律，进而实现航天器的在轨姿态控制。本发明克服了现有三超平台控制分析、设计中三超平台建模研制流程不清晰、迭代设计计算量大的问题。

技术领域

本发明涉及一种基于航天器三超相互制约与耦合的姿态控制方法及系统，属于航天器控制领域。

背景技术

当前航天器对指向控制提出了三超(超高精度超高稳定度超敏捷)的要求，仅基于卫星姿态控制的单级控制技术已经难以满足要求。通过在航天器星体和载荷之间安装具有振动隔离、扰振抑制和精确指向调节的主动指向超静平台，形成三超平台，有效解决了航天器控制中的“稳、快、准”的突出矛盾问题，易于实现未来航天器的超高精度超高稳定度超敏捷控制目标。

随着航天器尺寸的增加，其柔性明显增强，因此需要采用有限元技术建立三超平台的动力学模型。在对三超平台进行设计时，需要迭代星体、载荷和主动指向超静平台的设计，并使用动力学模型验证控制效果。在此过程中，面临以下问题：

一、使用常规的有限元建模流程，需要载荷与主动指向超静平台的设计人员向负责航天器星体的总体部门传递有限元模型，导致研制流程不清晰，数据表示复杂，协同设计的可靠性低。同时，每次星体、载荷或主动指向超静平台任一部分进行设计更新后，需使用整体有限元模型重新计算整体的特征频率与特征向量，对于大型空间结构的精细模型(星体、载荷各几十万自由度，整体达上百万自由度)，计算量大、耗时长。

二、采用自由边界正则模态参数化结构的运动时，自由边界条件未考虑主动指向超静平台连接点和结构上主动力施加点的边界条件，使用少数模态时不能准确描述上述点附近的运动情况，增加模态数则会增大计算负担。

三、针对标准的结构动力学问题，可使用模态综合方法改善上述问题，但标准方法不能直接适用于带有主动指向超静平台的三超平台这一混合系统。四、难以建立三超平台状态空间方程，从而进一步分析三超控制机理。基于此需要研究一种航天器“三超”相互制约与耦合的控制机理模型。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对现有三超平台控制分析、设计中三超平台建模研制流程不清晰、迭代设计计算量大的问题，提出一种基于航天器三超相互制约与耦合的控制机理模型的姿态控制方法及系统。

本发明的技术解决方案是：

基于航天器三超相互制约与耦合的姿态控制方法，包括如下步骤：

(1)建立引入二级控制后的控制模型；

(2)对空间结构的载荷和星体分别建立有限元模型；

(3)使用有限元模型给出的系数矩阵，分别建立载荷和星体的动力学方程，计算载荷和星体的模态集，并将载荷和星体的动力学方程变换至各自的模态空间；

(4)由载荷、星体的模态空间动力学方程和主动指向超静平台动力学方程，建立三超平台动力学方程；

(5)根据实际控制作用和被控量得到变换矩阵，对三超平台动力学方程进行输入输出变换，得到以物理坐标为输入、输出的状态空间方程；

(6)根据步骤(5)得到的状态空间方程得到控制律，进而实现航天器的在轨姿态控制。

进一步的，建立引入二级控制后的控制模型，具体为：将载荷作为被控对象的二级控制，扩维状态量和输入输出量，获得线载荷控制回路，通过引入二级控制实现载荷和星体的控制；