[發明專利]一種空間柔性系統的欠驅動控制方法

有效

• 申請號: 201810047017.0
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108303879B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 張帆;黃攀峰;孟中杰;劉正雄;張夷齋
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種空間柔性系統的欠驅動控制方法，建立空間柔性系統的動力學方程；計算滑模參數σ；計算柔性系繩振動抑制所需要的控制量u；輸入系繩控制量u，完成柔性系繩的振動抑制。該控制方法的核心是建立分層滑模參數，從而使滑模參數完全涵蓋可控部分狀態變量和不可控部分狀態變量。有益效果：降低平臺衛星和釋放子衛星的推力器燃料消耗；通過二級滑模控制器，使得空間柔性系統的頂層滑模參數快速到達所設計的滑模面上，從而使得柔性系繩在達到期望長度的同時，抑制其軌道面內/外角的擺動。

技術領域

本發明屬于航天器控制技術研究領域，涉及一種空間柔性系統的欠驅動控制方法，具體涉及一種針對空間柔性欠驅動系統的欠驅動控制方法。

背景技術

空間柔性操控系統是由平臺衛星(航天飛機、空間站或其他衛星等)、柔性連接系繩和釋放子衛星(或軌道抓捕器等)共同構成的。空間柔性操控系統由于其靈活高、抓捕安全、造價低成本等優勢，逐漸應用到衛星軌道轉移、衛星編隊對地觀測等在軌應用。

由于相較于柔性連接系繩的長度，平臺衛星和釋放子衛星尺寸顆忽略不計，所以通常將其視為質點。由于系統繞地球軌道運行所產生的科氏力，柔性連接系繩會出現自然擺動。如何控制系繩擺動，是空間柔性系統控制方法的關鍵。例如，申請號為CN201410181680.1的中國專利提出了一種空間繩系系統跟蹤最有軌跡的協調控制方法，通過系繩拉力和平臺衛星推力器共同實現柔性連接系繩的穩定；申請號為CN201710268861.1的中國發明專利，提出了一種空間繩系系統在保持段的系繩面內面外角穩定控制方法，同樣是系繩拉力和平臺衛星以及釋放子衛星推力器，完成對系繩擺動的控制。但是在實際任務中，由于平臺衛星和釋放子衛星推力器燃料有限，在完成自身軌道控制的基礎上，無法一直工作配合系繩拉力完成柔性系繩的擺動抑制控制。如何只利用系繩拉力完成柔性連接系繩的擺動抑制控制是本發明重點。

軌道運動產生的科氏力對系繩運動影響較大，其最顯著影響就是系繩的軌道面內面外角擺動，尤其是在系繩釋放和回收兩個階段。傳統控制方法都是利用系繩拉力配合平臺衛星或釋放子衛星的推力器完成系繩的穩定控制。但是由于燃料有限，且系繩兩端衛星要完成自身的軌道姿態控制，利用推力器的系繩穩定控制方法并不是最優解決方案。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種空間柔性系統的欠驅動控制方法，提出了一種只利用系繩張力控制的空間柔性系統欠驅動控制方法，從而實現柔性連接系繩的快速穩定控制。

技術方案

一種空間柔性系統的欠驅動控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、建立空間柔性系統的動力學方程：

其中，α，和分別表示柔性系繩擺動的軌道面內角、角速度和角加速度；β，和分別表示柔性系繩擺動的軌道面外角、角速度和角加速度；l，和分別表示柔性系繩的長度、釋放/回收速度和加速度；T表示系繩控制張力；m^*和均表示質量系數，其具體表示為和其中m₁，m₂和m_t分別為平臺衛星、釋放衛星和柔性系繩質量；

步驟2、計算滑模參數σ：計算分層的滑模參數：和

建立系統的頂層滑模參數σ＝δ_ασ_α+δ_βσ_β+δ_lσ_l

其中c_α，c_β和c_l分別為各個底層滑模參數的滑模系數；δ_α，δ_β，δ_l分別是各個底層滑模參數的權重系數；

步驟3、計算柔性系繩振動抑制所需要的控制量u：