[發明專利]一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態復合控制方法

在審

• 申請號: 202310213431.5
• 申請日: 2023-03-07
• 公開（公告）號: CN116424575A
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發明（設計）人: 劉峰;王世元;岳寶增
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

本發明公開的一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態復合控制方法，屬于航天器控制技術領域。本發明實現方法為：通過Tsubgt;e/subgt;表征航天器在軌運行時受到各種非保守干擾力矩；采用歐拉四元數描述航天器主體任意角度姿態運動；采用假設模態離散化方法描述1～m個柔性附件的彈性振動；采用拆分變量技術改進液體晃動等效球擺模型的運動描述；建立帶大型柔性附件充液航天器大范圍運動動力學模型；對航天器姿態動力學模型線性化；根據Lyaponuv穩定性定理設計的充液柔性航天器輸出反饋姿態控制律；基于充液柔性航天器輸出反饋姿態控制律和歐拉四元數輸入指令，設計的充液柔性航天器輸入成型?輸出反饋復合姿態控制器，進而實現振動主動抑制，提高航天器姿態復合控制精度。

技術領域

本發明涉及一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態復合控制方法，屬于航天器控制技術領域。

背景技術

帶有大型柔性附件和充液儲箱的航天器動力學與控制問題一直是航天領域研究的熱點和難點。隨著空間任務需求不斷提升，對航天器總體構型優化設計、控制能力提出了更高要求，國內外航天工程實踐正愈發熱切地關注儲箱內液體晃動引發的航天器動力學與控制問題。

現階段航天工程實踐中，為削弱推進劑儲箱內液體晃動對航天器動力學及控制系統的干擾，推進劑儲箱均采用防晃設計對儲箱內液體晃動進行被動抑制，如選擇囊式、膜片式及金屬膜盒式等新式儲箱存儲推進劑，這些儲箱與推進劑相容性差；又如儲箱內部安裝機械障板、分離式隔板等防晃裝置。儲箱被動防晃設計通常會增加無效工質，一定程度上犧牲了推進劑加注量。此外，對于大型儲箱，被動防晃措施對液體晃動的抑制效果劣于小型儲箱。另一方面，我國航天工程實踐仍停留在采用彈簧-質量-阻尼器或單擺兩類傳統的線性模型來處理航天器儲箱內液體晃動問題，欠缺對液體大幅晃動等效力學模型的系統性研究、驗證和應用。在液體晃動線性模型適用條件下，充液柔性航天器控制多采用比較保守的連續多次小范圍的、慢速的機動方式，雖然有利于避免儲箱內液體發生劇烈晃動而引起的突出問題，但不能從根本上解決液體晃動帶來的航天器控制問題。

因此，為了滿足航天工程迅速發展的迫切需求，目前亟待開展同時含液體非線性晃動和大型柔性附件振動的航天器剛-液-柔-控耦合動力學與控制方法研究。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態復合控制方法，能夠實現帶大型柔性附件充液航天器在軌大范圍姿態平穩機動及柔性附件振動主動抑制控制，提高航天器姿態復合控制精度。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明公開的一種含非線性晃動及大柔性附件航天器姿態復合控制方法，包括以下步驟：

步驟1、應用混合坐標下的拉格朗日方程建立帶大型柔性附件充液航天器大范圍運動動力學模型。在帶大型柔性附件充液航天器建模過程中，以T_e表征航天器受到的各種非保守干擾力矩，重力梯度力矩T_g為唯一非保守干擾力矩；采用歐拉四元數描述航天器主體任意角度姿態運動；采用假設模態離散化方法描述1～m個柔性附件的彈性振動，實現高效簡潔地表征柔性附件的彈性振動；采用拆分變量技術改進液體晃動等效球擺模型的運動描述，實現明確表征液體推進劑相對于1～n號儲箱的整體性剛體運動與非線性晃動，所述非線性晃動包括有限幅橫向晃動和旋轉晃動。

步驟1.1、定義航天器系統各部分的運動，包括航天器主剛體平臺質心相對于慣性參考系的位置和速度、主剛體平臺相對于慣性參考系的轉動角速度、姿態控制三軸反作用輪相對于慣性參考系的轉動角速度、柔性附件上任一質量微元相對于慣性參考系的位置和速度、液體晃動等效球擺模型集中質量相對于慣性參考系的位置和速度。

步驟1.2、推導航天器系統的總動能和總勢能。

航天器系統總動能表示成如下矩陣計算式