[发明专利]一种抗干扰挠性航天器姿态和振动复合控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种挠性航天器复合抗干扰姿态控制方法，利用输出反馈形式，可完成对挠性航天器结构振动、转动惯量变化和太空环境干扰力矩抑制的功能，从而实现高稳定度姿态控制。 

背景技术

航天器通常带有太阳帆板等大型轻型结构的挠性附件，柔性结构具有模态频率低且密集、阻尼小的特点，在航天器完成诸如机动、转向和空中对接等动作时易激起这类挠性结构的振动，从而影响航天器的定位精度和星载精密仪器的正常工作；因此，寻求一种主动振动抑制方法对空间挠性结构进行振动主动控制显得尤为重要。航天器在轨运行时，随着挠性附件的展开和收缩，星体的转动惯量变化很大；同时，星体还受到太空环境干扰力矩的作用，这些因素使得航天器对象具有很大的不确定性；另外，在此过程中，由于中心刚体和挠性附件之间存在强耦合，导致挠性结构的持续振动，进而影响航天器的运动和控制；因此，在挠性航天器姿态控制设计中，寻求一种抗干扰主动控制方法同时进行姿态控制和挠性结构的振动抑制显得尤为重要。 

针对挠性航天器的控制，人们已经提出了很多种控制方法。传统的PID控制方法具有简单、可靠的优点，但鲁棒性有待提高；现代控制理论的方法，诸如智能控制方法、非线性构造理论等涉及的算法复杂，难以在线实现；此外，一些控制方法如滑模变结构控制方法虽然很适于处理非线性系统的控制问题，但控制器在滑模面的往复运动及颤振问题都对其实际应用带来巨大挑战。H_∞优化控制方法可以解决模型不确定性系统的控制问题，在保证系统稳定的同时能将干扰对系统性能的影响抑制在一定的水平之下，即控制对象关于干扰具有鲁棒性；相对于滑模变结构控制方法，H_∞优化控制方法不存在在滑模面的往复运动和颤振问题，但是单一的H_∞控制器难以有效快速地 抑制挠性附件带来的振动；单一的PPF(Positive Position Feedback)主动振动控制器虽然可以抑制振动，但是如何把H_∞控制器和PPF控制器设计相结合，一直是一个难题。本发明专利提出了一种把H_∞控制器和PPF控制器相结合的复合抗干扰控制器，既能保证挠性航天器姿态稳定，又能抑制振动、实现抗干扰姿态控制。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对挠性航天器姿态控制受挠性附件振动影响、受星体转动惯量不确定性影响及受太空环境干扰力矩影响等问题，提出一种挠性航天器抗干扰姿态和振动复合控制方法；首先，主动振动控制快速抑制挠性附件带来的振动；其次，H_∞优化控制方法抑制转动惯量不确定带来的扰动和太空环境有界能量干扰力矩；最后，使用凸优化算法求解系统的输出反馈控制增益阵；所设计方法解决了挠性航天器姿态控制所面临的挠性附件振动、星体转动惯量不确定性及太空环境干扰力矩问题，提高了系统的鲁棒稳定性。 

本发明的技术解决方案为：基于H_∞优化控制理论，设计挠性航天器姿态控制器，其实现步骤如下： 

(1)在地心惯性坐标系下，对挠性航天器进行动力学建模如下：