[发明专利]一种复杂挠性航天器模糊奇异摄动建模与姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复杂挠性航天器模糊奇异摄动建模与姿态控制方法，属于航天器控制技术领域。特别适用于带有挠性附件的复杂航天器甚高精度控制，也可用于机器人、电力系统及钻井平台等其他非线性挠性系统或多时标系统的建模与高精度控制。

背景技术

复杂挠性航天器是指带有多个可伸缩的挠性附件、可增减和活动的大型部件(太阳翼、通信天线或遥感天线等)的大型航天器。航天器附件不仅相对其主体作刚性转动，而且自身也会产生挠性振动，从而影响航天器的姿态，甚至使其失稳。另外，航天器燃料的消耗、太阳帆板的转动以及有效载荷的运动也会引起其惯量参数的变化。如何克服挠性振动、参数不确定性及外界干扰，保证航天器甚高精度姿态控制是国内外学者研究热点。

近年来，刚性航天器的姿态控制研究有了很大进展，但这些方法很难直接应用于挠性情形。目前，挠性航天器的姿态控制研究尚处于初步阶段，分为传统建模与控制和模糊建模与控制两种。传统建模方法的缺点：1)、只能描述挠性附件与中心体之间夹角为某定值时的系统模态，故保守性强；2)、挠性附件引起的挠性振动被视为干扰输入，相比于刚性航天器的控制，只是增强了干扰程度，故很难得到甚高精度控制性能。模糊建模将挠性模态变量作为状态方程中的部分状态变量，能够描述挠性附件与中心体之间夹角为任意值时的系统模态，但由于未做时标分解，易引起状态方程系数矩阵的奇异性，从而产生数值求解过程中的病态问题。另外，以上研究均未提出抑制挠性振动与外界干扰的有效措施。随着对航天器姿态精度要求的提高，研究复杂挠性航天器甚高精度姿态控制方法具有重要意义。

奇异摄动技术是研究多时标系统的典型方法。该技术将研究对象分为慢、快两个子系统，对慢、快子系统分别设计控制器或者对包括慢、快子系统的整体系统设计控制器，从而避免由快变量引起的系统振动和系统状态方程系数矩阵的奇异性。目前非线性奇异摄动系统(Singularly Perturbed Systems，简称SPSs)控制研究主要有两种方法，即传统控制方法和基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality，简称LMI)的模糊奇异摄动建模与控制策略。前者对系统结构的假设较多，而后者结构假设少、推导简单、易实现。基于LMI的模糊SPSs的分析与控制研究主要概括为两类，即与摄动参数ε无关的研究和与摄动参数ε有关的结果，其中考虑系统参数不确定情形的研究为少数，而且将模糊奇异摄动技术应用于复杂挠性航天器姿态控制的成果还未发现。值得一提的是，目前控制系统静态输出反馈控制器设计均采用迭代LMI方法，此方法依赖于初始值的选取，而目前还没有行之有效的选取初值方法。

发明内容

本发明的目的是为解决复杂挠性航天器在外太空中低轨道运行时，现有控制方法无法消除挠性附件引起的挠性振动和外界干扰引起的稳态误差的问题，提出一种复杂挠性航天器模糊奇异摄动建模与姿态稳定控制方法。

本发明的技术方案是：一种复杂挠性航天器模糊奇异摄动建模与姿态控制方法，该方法基于不确定性标准离散模糊奇异摄动模型，设计鲁棒组合控制器，实现复杂挠性航天器甚高精度姿态稳定控制，组合控制器由静态输出反馈控制器和输出积分器组成。根据复杂挠性航天器动力学模型与运动学模型，采用模糊逻辑与奇异摄动技术相结合的方法，将该航天器的状态变量分为快慢变量，即将姿态角与姿态角速度作为慢变量，将挠性附件的模态及其一阶导数作为快变量，建立航天器不确定性连续模糊奇异摄动模型，具体包括以下步骤：

步骤1.根据现有的复杂挠性卫星动力学方程和运动学方程，建立模糊奇异摄动模型：

1.1)、建立不确定性连续模糊奇异摄动模型

采用欧拉法建立复杂挠性卫星运动学模型，根据该运动学模型和现有的复杂挠性卫星动力学方程，结合模糊逻辑和奇异摄动技术，以复杂挠性卫星的三轴姿态角和姿态角速度作为慢变量，挠性部件的模态变量及其一阶导数作为快变量，对复杂挠性卫星进行时标分解，建立复杂卫星不确定性连续模糊奇异摄动模型；

规则i：如果α_i是φ_i那么