[發(fā)明專利]一種無初值依賴的系繩振動快速抑制控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010415390.4
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111736459B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張帆;黃攀峰;孟中杰;張夷齋;劉正雄
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02
• 代理公司: 西安凱多思知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種無初值依賴的系繩振動快速抑制控制方法，建立空間柔性系統(tǒng)的動力學(xué)方程；設(shè)計滑模參數(shù)；推導(dǎo)滑動模態(tài)下的系統(tǒng)動力學(xué)方程，設(shè)計系繩控制拉力并以此為系統(tǒng)控制律，完成柔性系繩的振動抑制。有益效果：(1)本發(fā)明設(shè)計了一種非整數(shù)滑模參數(shù)，并通過此滑模參數(shù)推導(dǎo)出基于滑模參數(shù)的動力學(xué)方程，便于閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析；(2)本發(fā)明所設(shè)計的控制律算法，可以使被控狀態(tài)變量快速到達(dá)期望狀態(tài)，即使空間系繩的天然振動得到快速抑制，且閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制時間是不依賴于系統(tǒng)初始狀態(tài)的，這大大提高了控制系統(tǒng)的工作效率。

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，涉及一種無初值依賴的系繩振動快速抑制控制方法，具體設(shè)計一種可在設(shè)計時間內(nèi)完成空間系繩振動快速抑制的控制方法。

背景技術(shù)

空間系繩自上世紀(jì)70年代由NASA完成在軌可實施驗證后，其在軌應(yīng)用得到了認(rèn)可，同時也得到了廣泛關(guān)注，尤其是在軌道轉(zhuǎn)移、衛(wèi)星姿態(tài)輔助穩(wěn)定和空間垃圾清理等方面。而基于空間系繩的衍生系統(tǒng)也很多，例如空間繩系機器人、空間電動力系繩等等。但無論是哪種空間繩系系統(tǒng)，其本質(zhì)都是利用系繩在軌道上收/放能力。

由于系統(tǒng)繞地球軌道運行所產(chǎn)生的科氏力，柔性連接系繩在軌道上的收/放會導(dǎo)致系繩的自然振動。針對空間系繩的振動抑制問題，也已經(jīng)很很多文章或者專利解決了這類問題。例如，文章“基于矩陣分解的空間系繩系統(tǒng)不完全反饋控制”提出了一種基于矩陣分解采用不完全狀態(tài)反饋控制方法，抑制空間繩系系統(tǒng)的軌道面內(nèi)振動；文章“空間系繩系統(tǒng)展開的滑模變結(jié)構(gòu)控制”采用考慮展開長度的等效控制和連續(xù)函數(shù)冪次趨近律切換控制設(shè)計了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，高效的完成了系繩展開過程中的振動抑制控制；申請?zhí)枮镃N201710268861.1的中國發(fā)明專利，提出了一種空間繩系系統(tǒng)在保持段的系繩面內(nèi)面外角穩(wěn)定控制方法，利用系繩拉力和釋放子衛(wèi)星推力器，完成對系繩擺動的控制。

雖然以上控制方法都能夠有效的完成振動抑制，且收斂時間也是有限時間收斂，但是收斂時間的長短嚴(yán)格依賴于初始狀態(tài)，即初始狀態(tài)越遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，則收斂時間越長。為了能加快系繩的振動抑制，且使得系繩振動的收斂時間可以不受初始狀態(tài)值的影響，本發(fā)明在前有發(fā)明研究的基礎(chǔ)上，基于李雅普諾夫收斂的意義，提出了一種新的滑模控制方法，從而實現(xiàn)系繩的快速振動抑制控制。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種無初值依賴的系繩振動快速抑制控制方法，設(shè)計合適的系繩拉力，以此為系統(tǒng)控制律，使得空間系繩系統(tǒng)天然的振動收斂時間可以不被初始狀態(tài)影響。該控制方法的核心是設(shè)計一種固定時間收斂的振動抑制控制算法。

技術(shù)方案

一種無初值依賴的系繩振動快速抑制控制方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、建立空間柔性系統(tǒng)的動力學(xué)方程：

α″＝-2(Λ′/Λ)(α′+1)-3sin α cos α

其中：α，α′和α″分別表示柔性系繩擺動的軌道面內(nèi)角、角速度和角加速度；Λ，Λ′和Λ″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；Ω表示軌道角速度；表示系統(tǒng)質(zhì)量系數(shù)；

步驟2、設(shè)計滑模參數(shù)：

其中：系數(shù)m₁，n₁，p₁和q₁都是正的奇數(shù)；系數(shù)α₁和β₁均為正數(shù)；

步驟3、滑動模態(tài)下的系統(tǒng)動力學(xué)方程：

其中：

步驟4、設(shè)計系繩控制拉力，以此為系統(tǒng)控制律T完成柔性系繩的振動抑制：