[發(fā)明專利]隔振指向平臺模態(tài)解耦控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210919665.7
• 申請日: 2022-08-02
• 公開（公告）號: CN115291516A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐振邦;徐安鵬;章輝;秦超;韓思凡
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 劉建偉

本發(fā)明涉及一種隔振指向平臺模態(tài)解耦控制方法，包括：確定隔振指向平臺的設(shè)計(jì)要求，對構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，選擇鉸鏈類型及支腿致動器類型；確定構(gòu)型參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)；推導(dǎo)得到隔振指向平臺的動力學(xué)模型；計(jì)算模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)行模態(tài)解耦；將多自由度系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)解耦轉(zhuǎn)換成單自由度系統(tǒng)，分別在模態(tài)空間設(shè)計(jì)指向控制率和隔振控制率達(dá)到隔振和精密指向特性，將受到的擾動分為低頻擾動區(qū)間、中頻擾動區(qū)間和高頻擾動區(qū)間，利用指向抵消低頻擾動，主動隔振抵消中頻擾動，被動隔振特性抵消高頻擾動；得出最終控制力輸出，對隔振指向平臺進(jìn)行指向穩(wěn)定控制。本發(fā)明解決了隔振指向平臺控制精度和系統(tǒng)魯棒性不能同時滿足的問題，提升了指向精度和隔振帶寬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種隔振指向平臺模態(tài)解耦控制方法。

背景技術(shù)

未來的航天任務(wù)(如空間科學(xué)觀測、深空激光通信等)要求航天器具有極高的控制精度和穩(wěn)定度性能指標(biāo)；而支持模塊上的各種擾動源，如飛輪、控制力矩陀螺、大型天線及太陽帆板的定向驅(qū)動裝置、斯特林制冷機(jī)等正常工作時將會產(chǎn)生難以避免的低頻振動和高頻抖動，嚴(yán)重影響高精度航天器的控制精度和穩(wěn)定度性能指標(biāo)，明顯降低有效載荷的工作性能。

為解決對于光學(xué)有效載荷的高精度指向問題，目前主要采取兩種方式：對空間光學(xué)載荷進(jìn)行振動隔離和指向控制。隔振的目的是防止航天器上的振動源將微振動傳遞給空間光學(xué)載荷；指向控制的目的是通過驅(qū)動器控制光軸指向，進(jìn)而提高成像質(zhì)量，主要用于空間光學(xué)載荷的高精度精密指向。目前兩者一般采用分開控制策略來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是隨著未來望遠(yuǎn)鏡等載荷對于體積和質(zhì)量的限制要求越來越高，采用指向隔振一體化的控制策略是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

由于在應(yīng)用過程中，Stewart構(gòu)型具有精度高、剛度大、容錯性好的特點(diǎn)，是制作隔振指向平臺的重要構(gòu)型方式。但是當(dāng)且僅當(dāng)有效載荷質(zhì)心和上平臺鉸點(diǎn)的幾何中心完全重合時才能保證在空間上完全結(jié)構(gòu)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮隔振性能的Stewart構(gòu)型平臺無法實(shí)現(xiàn)立方體構(gòu)型的設(shè)計(jì)，因此在無法在構(gòu)型設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)完全解耦。

對于多自由度Stewart系統(tǒng)，其振動控制以及指向問題涉及多輸入多輸出(MIMO)問題，可使用模態(tài)解耦控制法將多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)變成多個單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)，從而將該問題簡化。模態(tài)解耦依據(jù)振動模態(tài)理論，以系統(tǒng)物理空間下的固有振型作為向量基，將物理空間下的系統(tǒng)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到模態(tài)空間下的系統(tǒng)模型，利用模態(tài)空間下各階模態(tài)相互正交的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)解耦，可以降低系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)難度，對解決Stewart系統(tǒng)控制問題有很好的效果。

目前來說，針對Stewart平臺的控制大概分為鉸空間和任務(wù)空間控制兩種。

鉸空間控制簡單、穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)，但是實(shí)際應(yīng)用來說控制精度不高，主要是將各個支腿看作是單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行解決，將支鏈之間的影響簡化為外部干擾進(jìn)行處理，之后將各個單個支腿利用PID控制，雖然優(yōu)勢較多，但是對于指向隔振一體化平臺所需要的高精度來說無法實(shí)現(xiàn)。

針對任務(wù)空間控制的Stewart平臺控制也是重要的控制方法之一，所采用的計(jì)算力矩控制雖然利用了非線性系統(tǒng)反饋線性化的控制方法，減弱了系統(tǒng)非線性的影響，但是實(shí)際應(yīng)用過程中魯棒性差，很難精確對消由于系統(tǒng)參數(shù)不確定性和建模誤差引起的系統(tǒng)擾動，容易造成控制系統(tǒng)失穩(wěn)。針對計(jì)算力矩控制的改進(jìn)控制方法，計(jì)算力矩控制的基礎(chǔ)上增加魯棒項(xiàng)，進(jìn)行魯棒PI控制，雖然系統(tǒng)的魯棒性得到了大大提升，但是實(shí)際應(yīng)用過程中，魯棒性引起的抖動在精密指向方面有較強(qiáng)的影響，降低了指向精度。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，有必要提供一種隔振指向平臺模態(tài)解耦控制方法，以解決隔振指向平臺控制精度和系統(tǒng)魯棒性不能同時滿足的技術(shù)問題。