一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及帶撓性附件衛(wèi)星的姿態(tài)控制技術(shù)，尤其是衛(wèi)星姿態(tài)機動過程中，輸入 成形與魯棒控制結(jié)合的撓性附件振動抑制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了增加對地遙感衛(wèi)星偵測范圍，及時觀測指定區(qū)域以及勻速掃描成像，對衛(wèi)星 的機動能力提出了一定的要求。對于國內(nèi)在軌運行衛(wèi)星，各種附件撓性較小，姿態(tài)機動控制 算法設(shè)計時通常使用頻帶隔離方法，壓低控制系統(tǒng)帶寬實現(xiàn)振動抑制效果。
[0003] 隨著載荷需求的提高，衛(wèi)星構(gòu)型越來越復(fù)雜，載荷與太陽電池陣尺寸不斷增大，僅 用頻帶隔離方法設(shè)計控制系統(tǒng)使得控制帶寬很低，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢且會放大低頻擾動力 矩。
[0004] 輸入成形是在二階系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出的振動抑制算法，主要用于開環(huán)系統(tǒng)或置于閉 環(huán)系統(tǒng)外，直接對輸入指令成形，在衛(wèi)星姿態(tài)控制中類似于對路徑的再規(guī)劃。這種方法并沒 有改變控制系統(tǒng)性能，只是通過路徑柔化達(dá)到振動抑制效果。路徑柔化方法在系統(tǒng)模型準(zhǔn) 確且無閉環(huán)內(nèi)非線性等的影響下效果明顯，對閉環(huán)內(nèi)非線性等因素引起的振動沒有效果。
[0005] 目前國內(nèi)在軌衛(wèi)星控制律均未采用魯棒控制算法，在帶大尺寸撓性附件復(fù)雜結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星的控制上，傳統(tǒng)比例-積分-微分控制方法在設(shè)計過程中未考慮撓性模型與模型不確 定性，控制過程中易激起撓性振動。
[0006] 考慮到衛(wèi)星大尺寸、大撓性的發(fā)展趨勢，需要在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中引入振動抑 制算法。對于低階模態(tài)使用辨識加輸入成型抑制其振動，高階模態(tài)當(dāng)作不確定性設(shè)計魯棒 控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供提供一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法，能夠提 高衛(wèi)星機動過程中的速度穩(wěn)定度，減小衛(wèi)星機動到位后的撓性振動，快速達(dá)到指向精度要 求，改善控制系統(tǒng)性能。
[0008] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制 方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一、建立撓性附件衛(wèi)星動力學(xué)模型，加入脈沖激勵得到角速度振動數(shù)據(jù)，由辨 識算法給出整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比，衛(wèi)星實際運行狀態(tài)下可由遙測數(shù) 據(jù)辨識整星的撓性參數(shù)；
[0010] 步驟二、根據(jù)整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比設(shè)計相應(yīng)的雙脈沖零振 動輸入成形器，兩成形器串聯(lián)使用，抑制機動過程中前兩階模態(tài)振動；
[0011] 步驟三、對輸入成形器中的時滯環(huán)節(jié)進(jìn)行二階線性化，進(jìn)而得到輸入成形器的線 性化形式；
[0012] 步驟四、衛(wèi)星動力學(xué)模型的剩余高階模態(tài)部分考慮為非結(jié)構(gòu)不確定性，將線性化 的輸入成形器作為被控對象的一部分，建立衛(wèi)星的不確定性模型；
[0013] 步驟五、根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)選擇合適的加權(quán)函數(shù)，把系統(tǒng)整理成標(biāo)準(zhǔn)問題形 式，得到名義系統(tǒng)；
[0014] 步驟六、計算得到魯棒控制器，并根據(jù)數(shù)學(xué)仿真效果調(diào)節(jié)加權(quán)函數(shù)，直至得到合適 的控制器。
[0015] 其中，所述步驟二中通過以下公式計算兩個雙脈沖的零振動成形器參數(shù)：
[0016]
[0017] 式中，心為輸入成形器第一個脈沖強度，為保證快速性，作用于0時刻；
[0018] A2為輸入成形器第二個脈沖強度；
[0019] t為輸入成形器第二個脈沖作用時刻；
[0020] 一個雙脈沖成形器形式為
[0021] y(k) = (k)+A2u (k-t/T)；
[0022] 其中：T為計算步長；
[0023]u(k)為當(dāng)前輸入信號；
[0024]u (k-t/T)為t時刻前的輸入信號。
[0025] 其中，所述線性化輸入成形器的形式為
[0026]
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0028] 通過輸入成形與魯棒控制算法的結(jié)合，解決撓性附件衛(wèi)星在姿態(tài)機動過程中的撓 性振動抑制問題，使得衛(wèi)星機動到位后快速穩(wěn)定，在勻速掃描成像時也可快速穩(wěn)定角速度， 提高成像分辨率。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實施例一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法的流程圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例中雙脈沖零振動輸入成形器算法流程框圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明實施例中兩個成形器的串聯(lián)實現(xiàn)框圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明實施例中整個衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的機構(gòu)框圖；
[0033]圖5為本發(fā)明實施例中含加權(quán)函數(shù)的不確定性系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0035] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法， 對于帶撓性附件的大慣量衛(wèi)星，首先建立星體的剛撓耦合動力學(xué)模型，由辨識算法得到整 星前兩階模態(tài)頻率與相應(yīng)阻尼比；然后根據(jù)每階模態(tài)頻率與阻尼比設(shè)計雙脈沖的零振動輸 入成形器，將輸入成形器模型作為控制對象的一部分，衛(wèi)星高階模態(tài)為不確定性項，選擇合 適的加權(quán)函數(shù)設(shè)計出相應(yīng)的魯棒控制器。
【具體實施方式】 [0036] 如下：
[0037] 步驟一、建立撓性附件衛(wèi)星動力學(xué)模型，加入脈沖激勵得到角速度振動數(shù)據(jù)，由辨 識算法給出整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比，衛(wèi)星實際運行狀態(tài)下可由遙測數(shù) 據(jù)辨識整星的撓性參數(shù)；具體的：
[0038]SI 1、根據(jù)前兩階模態(tài)頻率與阻尼比，分別由下式計算出兩個雙脈沖的零振動成形
器參數(shù).
[0039]
[0040] 其中：心為輸入成形器第一個脈沖強度，為保證快速性，作用于0時刻；
[0041] A2為輸入成形器第二個脈沖強度；
[0042] t為輸入成形器第二個脈沖作用時刻。
[0043] 由于成形器置于閉環(huán)內(nèi)，不同于成形器置于閉環(huán)外的路徑規(guī)劃，
[0044] 這里成形信號需要實時計算，一個雙脈沖成形器形式為
[0045] y(k) = (k)+A2u (k-t/T)
[0046] 其中：T為計算步長；
[0047] u (k)為當(dāng)前輸入信號；
[0048] u (k-t/T)為t時刻前的輸入信號。
[0049] 從上式中可看出，經(jīng)輸入成形器得到的信號不僅與當(dāng)前時刻輸入有關(guān)，還與t/T 節(jié)拍前輸入有關(guān)，為保證下一步計算，每步計算都要需要存儲t/τ+ι個節(jié)拍的輸入數(shù)據(jù)。
[0050] 步驟二、根據(jù)整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比設(shè)計相應(yīng)的雙脈沖零振 動輸入成形器，兩成形器串聯(lián)使用（如圖3所示），抑制機動過程中前兩階模態(tài)振動；
[0051] 步驟二、取輸入成形器中時滯環(huán)節(jié)二階近似形式，得到線性化輸入成形器的形式 為
[0052]
[0053] 從上式可看出，所得輸入成形器線性化形式與兩個陷阱濾波器的串聯(lián)形式相同。 圖4為整個衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的流程框圖，在成形器前加入飽和環(huán)節(jié)可保證成型后給執(zhí)行 機構(gòu)的指令力矩不會超過輸出能力，避免指令力矩飽和處力矩突變引起撓性振動。
[0054] 步驟四、考慮到非線性系統(tǒng)不便于控制器的設(shè)計，將步驟三得到的輸入成形器線 性化形式作為被控對象的一部分；將高階模態(tài)部分作為不確定項處理，建立系統(tǒng)相應(yīng)的不 確定性模型。
[0055] 步驟五、根據(jù)系統(tǒng)性能要求選擇合適的加權(quán)函數(shù)，圖5中分別對控制輸入與系統(tǒng) 輸出量加權(quán)。對控制輸入加權(quán)是為了限制輸入量，使執(zhí)行機構(gòu)輸出量在其能力范圍內(nèi)；對系 統(tǒng)輸出加權(quán)是為了滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)。結(jié)合第4步的不確定模型，將控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整理成 標(biāo)準(zhǔn)問題。
[0056] 步驟六、由步驟四與步驟五構(gòu)建的模型可求出滿足性能指標(biāo)的魯棒控制器，系統(tǒng) 的魯棒穩(wěn)定性可由奇異值分析結(jié)果得到，反復(fù)調(diào)節(jié)加權(quán)函數(shù)得到性能較好的控制器。求解 出的控制器為連續(xù)形忒
[0057]
[0058] y = Cx+Du
[0059] 將其離散化可得控制器形式為
[0060] y (k) = Cx (k) +Du (k)
[0061] x(k+1) = Ax(x)+Bu (k)
[0062] 其中：u(k)為當(dāng)前時刻輸入指令；
[0063] u(k+l)為下一時刻輸入指令；
[0064] y(k)為當(dāng)前時刻輸出指令。
[0065] 這里輸入指令u為誤差信號，即期望角度指令與星敏感器所測實際轉(zhuǎn)角的差。
[0066] 以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1. 一種針對曉性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一、建立曉性附件衛(wèi)星動力學(xué)模型，加入脈沖激勵得到角速度振動數(shù)據(jù)，由辨識算 法給出整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比，衛(wèi)星實際運行狀態(tài)下可由遙測數(shù)據(jù)辨 識整星的曉性參數(shù)； 步驟二、根據(jù)整星非約束條件下前兩階模態(tài)頻率與阻尼比設(shè)計相應(yīng)的雙脈沖零振動輸 入成形器，兩成形器串聯(lián)使用，抑制機動過程中前兩階模態(tài)振動； 步驟=、對輸入成形器中的時滯環(huán)節(jié)進(jìn)行二階線性化，進(jìn)而得到輸入成形器的線性化 形式； 步驟四、衛(wèi)星動力學(xué)模型的剩余高階模態(tài)部分考慮為非結(jié)構(gòu)不確定性，將線性化的輸 入成形器作為被控對象的一部分，建立衛(wèi)星的不確定性模型； 步驟五、根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)選擇合適的加權(quán)函數(shù)，把系統(tǒng)整理成心標(biāo)準(zhǔn)問題形式， 得到名義系統(tǒng)； 步驟六、計算得到魯棒控制器，并根據(jù)數(shù)學(xué)仿真效果調(diào)節(jié)加權(quán)函數(shù)，直至得到合適的控 制器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對曉性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法，其特征在于， 所述步驟二中通過W下公式計算兩個雙脈沖的零振動成形器參數(shù)：式中，Al為輸入成形器第一個脈沖強度，為保證快速性，作用于O時刻； Az為輸入成形器第二個脈沖強度；t為輸入成形器第二個脈沖作用時刻； 一個雙脈沖成形器形式為y(k)=AiU(k)+Azii化-t/T); 其中：T為計算步長； U化）為當(dāng)前輸入信號；u(k-t/T)為t時刻前的輸入信號。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對曉性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法，其特征在于， 所述線性化輸入成形器的形式為
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對撓性衛(wèi)星姿態(tài)機動的振動抑制方法，對于帶撓性附件的大慣量衛(wèi)星，首先建立星體的剛撓耦合動力學(xué)模型，由辨識算法得到整星前兩階模態(tài)頻率與相應(yīng)阻尼比；然后根據(jù)每階模態(tài)頻率與阻尼比設(shè)計雙脈沖的零振動輸入成形器，將輸入成形器模型作為控制對象的一部分，衛(wèi)星高階模態(tài)為不確定性項，選擇合適的加權(quán)函數(shù)設(shè)計出相應(yīng)的魯棒控制器。本發(fā)明能夠提高衛(wèi)星機動過程中的速度穩(wěn)定度，減小衛(wèi)星機動到位后的撓性振動，快速達(dá)到指向精度要求，改善控制系統(tǒng)性能。
【IPC分類】G05B13/04
【公開號】CN105372993
【申請?zhí)枴緾N201510917694
【發(fā)明人】胡恒建, 李英波, 朱慶華, 施桂國, 何益康
【申請人】上海新躍儀表廠
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年12月10日