[发明专利]臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，具体涉及一种臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统。

背景技术

空间天文望远镜搭载于卫星或飞船等空间飞行器上完成对宇宙天体的拍摄任务，是天文学所需的一种极为重要的探测仪器。为实现高清晰天体成像，一般要求空间天文望远镜具有较高精度的惯性指向能力。臂式空间天文望远镜一般包括空间天文望远镜2和臂式机构，其中臂式机构由多个旋转关节4串联组成，臂式机构一端安装于空间飞行器1上，另一端安装于空间天文望远镜2上。在臂式空间天文望远镜的天文观测过程中，通过控制臂式机构的多个旋转关节4运动，从而使得空间天文望远镜2完成在惯性系下三个旋转自由度方向(俯仰、横滚和偏航)的惯性指向。

目前臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法主要是将每一个旋转自由度分别按照互相之间无关联的单输入单输出线性控制系统来处理，采用古典控制理论中的频域分析方法完成控制系统设计。上述的现有臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法存在以下几方面会导致惯性指向控制精度下降的因素：

1)由于臂式空间天文望远镜实质上是互相耦合的多输入多输出非线性控制系统，设计控制系统时所参考的模型的不确切会导致惯性指向控制精度下降；

2)由于现有方法很少考虑摩擦和执行器的非线性扰动等因素的影响，由于一般情况下，臂式空间天文望远镜惯性指向系统多为低速控制系统，摩擦等非线性扰动会严重影响惯性指向控制精度；

3)现有方法的转速环不具有惯性稳定能力，因此对空间飞行器传递至空间天文望远镜的振动抑制能力较弱，也将使得惯性指向控制精度下降。

因此亟需一种能够针对互相耦合多输入多输出非线性系统、在摩擦等非线性扰动以及空间飞行器振动影响下实现臂式空间天文望远镜高精度惯性指向的控制方法及控制系统。

发明内容

为了解决现有臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法存在的惯性指向控制精度低的问题，本发明提供一种臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统。本发明的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法可以削弱互相耦合多输入多输出非线性系统、摩擦等非线性扰动以及空间飞行器振动对控制系统存在的不利影响，提高臂式空间天文望远镜的惯性指向控制精度。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，该方法是将臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统安装在臂式空间天文望远镜和空间飞行器上，对臂式空间天文望远镜的惯性指向进行自动控制，该方法的条件和步骤如下：

a、依据事先经过分析或试验得到的臂式空间天文望远镜的包含非线性因素的动力学模型，采用反馈线性化方法，得到分别对应于每个旋转关节的单输入单输出线性化模型和非线性补偿力矩；

b、依据每个旋转关节的单输入单输出线性化模型设计完成每个旋转关节的电流环控制算法、速度环控制算法和位置环控制算法，将这三个控制算法和步骤a中得到的每个旋转关节的非线性补偿力矩存储于控制器中；

c、控制器接收来自于空间飞行器的期望惯性姿态指令信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值，望远镜惯性位置传感器实时测量空间天文望远镜光轴的实际惯性姿态信号，采用卡尔曼滤波算法对空间天文望远镜光轴的实际惯性姿态信号进行计算得到更加精确的惯性姿态信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的角度值；

d、在控制器中将期望惯性姿态指令信号与精确的惯性姿态信号相减，即将俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值分别减去各自对应自由度的角度值，得到空间天文望远镜光轴的惯性姿态误差；

e、每个关节位置传感器实时测量得到对应的关节电机的旋转角度信号，通过控制器中的逆运动学计算模块以空间天文望远镜光轴的惯性姿态误差、关节电机的旋转角度信号作为输入信号，经过旋转矩阵计算得到对应的旋转关节的关节角误差值；

f、在控制器中将旋转关节的关节角误差值作为该旋转关节的位置环控制算法的控制输入，经过计算得到每个旋转关节速度环的控制输入；

g、每个关节惯性速度传感器实时测量得到对应的旋转关节相对于惯性系的角速度信号，在控制器中将旋转关节速度环的控制输入减去对应于该旋转关节相对于惯性系的角速度信号，得到每个旋转关节的惯性角速度误差值；

h、在控制器中将旋转关节的惯性角速度误差值作为该旋转关节的速度环控制算法的控制输入，经过计算得到每个旋转关节电流环的第一个控制输入；

i、将步骤a中得到的旋转关节的非线性补偿力矩作为该旋转关节电流环的第二个控制输入；