[发明专利]一种航天器三超控制鲁棒自适应多级协同方法

说明书

一种航天器三超控制鲁棒自适应多级协同方法，适用于天文观测等对有效载荷姿态具有超高精度、超高稳定度和超高敏捷度的大型卫星平台。与传统的PID控制算法不同，本发明结合滑模控制在滑模面上的鲁棒性特点和自适应控制能够在线估计参数的特点，进行星体‑主动指向超静平台两级复合控制。多级协同控制思路为：1)在载荷和航天器本体之间安装主动指向超静平台，根据航天器本体和载荷的质量特性设计主动指向超静平台的控制参数；2)结合滑模控制和自适应控制的思想，设计考虑带宽约束的星体鲁棒自适应控制器，使得星体控制器能够与主动指向超静平台相匹配，实现对载荷的三超控制。

技术领域

本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种大型航天器系统多级协同控制方法。

背景技术

随着天文观测、在轨服务需求不断提升，当代大型卫星平台的设计思想和实践发生革命性变化，卫星的控制系统复杂度不断提高，同时卫星有效载荷的姿态精度和稳定度需求也朝着个性化、精细化发展，因此有必要针对一类大型卫星平台开展新型具有三超性能的控制方法研究，满足未来各类有效载荷的姿态需求。三超是指“超高精度、超高稳定性、超敏捷”。

目前传统的航天器控制系统中，星体和载荷之间往往是刚性连接，星体中的各高、低频微振动直接传递到载荷，影响光学载荷成像品质。而星体的姿态控制带宽受控制器步长和挠性附件频率的限制，无法实现对高频抖动的实时补偿。针对这一问题国内外学者研究了一类基于航天器本体-主动指向超静平台两级复合控制的三超控制方法，由于控制结构比较复杂，往往在两级控制回路中均采用PID控制实现，但仍存在以下不足：

单纯的PID控制算法只能实现系统的渐进稳定，无法保证状态量收敛的快速性；加入前馈控制后可以提高姿态跟踪误差收敛的速度，但会额外激起柔性附件的振动，需要在主动指向超静平台的控制中进一步对该部分振动进行反馈控制，增加额外的能量消耗。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器三超控制鲁棒自适应多级协同方法，该方法通用性强，可针对一类考虑航天器本体柔性、带有任意数量柔性附件、CMG的大型卫星平台，所提出的控制方法能够在考虑航天器本体模型不确定性的情况下，实现对载荷期望姿态的快速跟踪，同时对柔性附件产生的低频扰动的实时估计与补偿，实现了对低频微振动的抑制；解决了传统滑模控制中原点附近带宽无限增大的问题，使得星体控制器能够有效与超静平台控制器相匹配，实现对载荷的三超控制。

本发明的技术解决方案是：

一种航天器三超控制鲁棒自适应多级协同方法，包括如下步骤：

(1)建立航天器系统动力学方程，包括载荷动力学方程、航天器本体动力学方程以及柔性附件振动方程；

(2)针对主动指向超静平台设计PD控制器；

(3)将控制器带入所述载荷动力学方程中，得到载荷姿态的误差方程：

(4)根据载荷无阻尼固有频率计算公式由期望的固有频率计算出比例控制系数k_pp，并将控制量分配到各个作动器上；

(5)设计滑模面，并基于滑模面设计考虑带宽约束的星体鲁棒自适应控制器以及非线性项的自适应律；

(6)根据PD控制作用下星体姿态高频抖动的幅值选择边界层参数δ，并确定分段形式的星体误差方程；

(7)计算星体控制带宽和载荷控制器的控制带宽，通过设计控制参数k、k₂、k₃、p，使得航天器星体状态量误差在进入边界层δ后的控制带宽小于载荷控制器带宽的1/10，同时使星体控制回路的阻尼比为2，从而实现航天器三超控制鲁棒自适应多级协同控制。