[发明专利]一种考虑反作用轮动态特性的航天器高精度姿控方法

说明书

本发明涉及一种考虑反作用轮动态特性的航天器高精度姿控方法，基于反作用轮动态特性和航天器姿态动力学，建立带有等价摩擦力矩和等价反电势干扰且考虑反作用轮动态特性的航天器姿态控制系统耦合动力学模型；针对等价摩擦力矩干扰和飞轮等价反电势干扰，基于反作用轮动态特性，分别设计非匹配干扰观测器和匹配干扰观测器组成多源干扰观测器，对等价摩擦力矩干扰及其导数和飞轮等价反电势干扰进行估计；基于反作用轮动态特性和多源干扰观测器，设计复合终端滑模控制器，实现航天器高精度姿态控制。本发明具有控制精度高、鲁棒性强的优点，可用于轮控航天器高精度姿态控制，还可推广到以电机为执行机构的飞行器姿态控制和汽车转向控制等领域。

技术领域

本发明涉及一种考虑反作用轮动态特性的航天器高精度姿控方法，应用于轮控航天器高精度姿态控制，还可推广到以电机为执行机构的飞行器姿态控制和汽车转向控制等领域。

背景技术

航天器姿态控制系统是航天器的核心子系统之一，随着航天器任务的多样化发展与精细化要求，给航天器姿态系统带来了高精度、高可靠性、长寿命的需求。作为姿态控制力矩的具体实施者，反作用轮与其它执行机构相比，具有输出力矩连续且精度高、不耗星上有限燃料、不污染星载光学设备、在轨工作寿命长的优点，已被广泛应用于多种需要进行高精度及高稳定度姿态控制的航天器上。然而，反作用轮作为一类机械系统，其核心由电机拖动转子进行旋转，在运转过程中会存在摩擦力矩干扰，在转速过零或低转速时所带来的摩擦力矩会导致输出力矩突变，进而引发机体振动，影响任务载荷的正常工作。而且，飞轮电机由于其物理构造会受到反电势干扰，对飞轮输出力矩产生不确定的影响。因此，亟需提升以反作用轮为执行机构的航天器姿态跟踪与镇定能力。

对于存在反作用轮摩擦力矩干扰的航天器姿态控制问题，很多学者也提出了不同的方法。从模型角度讲，这些方法只将反作用轮的摩擦力矩干扰进行观测估计，没有进一步考虑摩擦力矩的导数估计，也没有进一步考虑底层驱动电机的电气特性干扰，如专利申请号ZL201510294341.9、专利申请号201610196190.8。从控制方法角度讲，常见的传统姿态控制方法有PID控制、滑模变结构控制以及鲁棒H_∞控制。PID控制和鲁棒H_∞控制都是典型的干扰抑制方法，都是把干扰当作单一的等价变量，没有充分利用干扰特性。为了提升控制精度，从PID控制出发，韩京清教授提出了具备扰动补偿能力的自抗扰控制(ADRC)方法，由跟踪微分器、扩张状态观测器与非线性反馈控制器三部分构成，具备全程主动估计与补偿扰动的能力，已成功应用于线性及非线性系统中。例如，专利授权号ZL200410070983.2、申请号201510359468.4。然而，ADRC也是针对单一干扰系统，将所有扰动当作导数有界变量来处理。滑模控制具备鲁棒性强、响应快等优势，在文献(Xiao B,Yin S,Wu L.A StructureSimple Controller for Satellite Attitude Tracking Maneuver[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2016,64(2):1-1)中，将滑模和PD控制器相结合，应用于卫星姿态控制中。但是传统滑模控制依赖于干扰的范数上界，保守性和收敛域较大，而且滑模控制带来的抖振现象影响实际工程应用。

综上，考虑不精细甚至被忽略的反作用轮动态特性、执行机构和外部环境对航天器的干扰等因素对航天器高精度姿态控制带来挑战，需充分考虑反作用轮动态特性，并对干扰进行精确估计与补偿，从而提升以反作用轮为执行机构的航天器高精度姿态控制能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有控制方法对存在干扰时轮控航天器高精度姿态控制能力欠缺的问题，提出一种基于干扰观测器考虑反作用轮动态特性的航天器高精度姿态控制方法。