[發(fā)明專(zhuān)利]一種抑制不期望柔性振動(dòng)的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610164143.5
• 申請(qǐng)日: 2016-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105759827B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃庭軒;朱宏玉;徐世杰;劉琦
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/08
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天器控制技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及具有固有柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)體的航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其涉及具有嚴(yán)格的姿態(tài)指向精度要求、嚴(yán)格的姿態(tài)指向動(dòng)態(tài)特性要求以及嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)體柔性運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性要求的航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。

背景技術(shù)

自二十世紀(jì)七十年代起，新興的航天技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入并迅速擴(kuò)展到人類(lèi)生活的許多方面，人造地球衛(wèi)星、空間探測(cè)飛船、空間望遠(yuǎn)鏡、載人航天器等多種多樣的航天器進(jìn)入太空，執(zhí)行通信中繼、氣象觀測(cè)、地球環(huán)境觀測(cè)、空間科學(xué)探測(cè)等多種任務(wù)，極大地拓展了人類(lèi)認(rèn)識(shí)、探索、開(kāi)發(fā)、利用和破壞自然的能力。總體來(lái)看，隨著航天技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)航天器系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。

姿態(tài)控制系統(tǒng)是航天器系統(tǒng)的核心組成部分之一，通常歸入制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)分系統(tǒng)之中，主要原因在于姿態(tài)控制系統(tǒng)是制導(dǎo)系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)的執(zhí)行者或執(zhí)行者之一。姿態(tài)控制系統(tǒng)性能的高低直接影響整個(gè)航天器飛行任務(wù)的完成質(zhì)量甚至成敗。

具有固有柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器的控制是航天器姿態(tài)控制技術(shù)研究領(lǐng)域的持久熱點(diǎn)與難點(diǎn)之一。其主要原因在于大多數(shù)航天器都需要大面積太陽(yáng)電池陣列提供持久能源供應(yīng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天線提供通訊能力，這些結(jié)構(gòu)不可避免的將不可忽略的柔性運(yùn)動(dòng)引入航天器系統(tǒng)。李果等人2008年在《空間控制技術(shù)與應(yīng)用》上發(fā)表的題為《航天器控制若干技術(shù)問(wèn)題的新進(jìn)展》的論文中指出，具有固有柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器的姿態(tài)控制問(wèn)題具有姿態(tài)動(dòng)力學(xué)特性甚為復(fù)雜、姿態(tài)控制指標(biāo)要求甚高、且要求姿態(tài)控制規(guī)律和姿態(tài)控制系統(tǒng)組成盡可能簡(jiǎn)單這三大特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得具有固有柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器的姿態(tài)控制問(wèn)題至今未能得到很好的解決，需要繼續(xù)探索能保持較高姿態(tài)指向精度和較高姿態(tài)穩(wěn)定度的低階控制器的設(shè)計(jì)方法。

解決具有固有柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器的姿態(tài)控制問(wèn)題的途徑很多。其中一種是直接在姿態(tài)控制規(guī)律設(shè)計(jì)時(shí)使用考慮了需要抑制的柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型，其結(jié)果是姿態(tài)控制規(guī)律非常復(fù)雜且不利于實(shí)際應(yīng)用。另外一種是利用不考慮柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)剛體姿態(tài)控制規(guī)律，同時(shí)為需要抑制的柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)控制規(guī)律，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮或者不考慮上述兩個(gè)控制規(guī)律的相互影響并加以改進(jìn)。根據(jù)第二種解決途徑所得結(jié)果往往具有較為簡(jiǎn)單的控制規(guī)律，但與第一種解決途徑一樣通常難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制性能要求。

在上述第二種解決途徑中，為需要抑制的柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)控制規(guī)律的技術(shù)一般稱(chēng)為振動(dòng)控制技術(shù)，并分為被動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)兩大類(lèi)。由于可以在不改變?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)特性的條件下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制，主動(dòng)振動(dòng)控制技術(shù)中的一種得到了廣泛專(zhuān)注。這種控制技術(shù)通過(guò)將一個(gè)預(yù)定控制指令按預(yù)定方案分解為兩個(gè)或多個(gè)指令并在按預(yù)定方案確定的時(shí)刻分別施加到系統(tǒng)中進(jìn)行控制，減弱了控制作用對(duì)系統(tǒng)中柔性振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)作用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉暾等人于1987年在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議PISSTA上發(fā)表的論文《On optimal strategy of maneuver of satellites with flexible appendages》公開(kāi)了這種技術(shù)，并在隨后的研究中命名為分力合成(component synthesis)技術(shù)。麻省理工學(xué)院的Singer等人于1988年9月12日申請(qǐng)、1990年4月10日獲得授權(quán)的專(zhuān)利號(hào)4916635的美國(guó)專(zhuān)利《Shaping command inputs to minimize unwanted dynamics》公開(kāi)了這種技術(shù)，并將其稱(chēng)為輸入成形(input shaping)技術(shù)。因?yàn)槔眠@種技術(shù)時(shí)需要向控制系統(tǒng)中主動(dòng)引入時(shí)滯環(huán)節(jié)，所以又可稱(chēng)之為時(shí)滯濾波(time delay flitting)技術(shù)。據(jù)稱(chēng)，輸入成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于以起重機(jī)為代表的多種需要振動(dòng)控制的產(chǎn)品中。