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柔性飞行器姿态鲁棒控制方法研究

李争学  
【摘要】: 随着航天技术的飞速发展,航天器正向多功能、柔性化、高精度的方向发展。现代航天器很多都带有大型柔性附件,附件的振动会对姿态造成显著影响,因此姿态控制器设计时必须考虑附件振动,否则附件振动会显著降低姿态控制器性能、甚至使系统失稳。然而另一方面,即使考虑了附件振动,柔性飞行器控制中的溢出现象也可能会对姿态控制产生严重影响,尤其对于非线性系统而言,溢出问题更为严重。本论文深入研究了带柔性附件飞行器的姿态鲁棒控制方法,并解决了柔性飞行器控制中的溢出现象所带来的问题。论文主要包括以下内容: 首先,严格证明了在一般情况下姿态四元数的矢量部分、角速度、以及二者的线性组合构成的新矢量这三者之间存在的渐近稳定等价关系和终值有界等价关系,并首次给出了利用二者的线性组合构成的新矢量的界来定量的估计四元数的矢量部分和角速度的界的方法。 接着,基于上述两个等价关系,把柔性附件对本体姿态的影响力矩视为干扰力矩,在假设已知该力矩的界函数的条件下研究了柔性飞行器的本体的鲁棒抗干扰姿态控制问题。首先研究为了抑制干扰控制输入应该具有什么样的特性,然后针对姿态机动、跟踪问题,以前面的两个等价关系为依据分别设计了相应的鲁棒抗干扰姿态控制器。所设计的控制器很适用于带柔性附件飞行器的姿态控制。 然后,依据模态截断后的有限阶附件振动方程,考虑有限阶模态,推导出柔性附件对飞行器姿态的影响力矩的一个界函数。然后把该界函数与前面设计的姿态控制器以及附件振动控制器相结合,用于控制带柔性附件飞行器的姿态,并抑制附件振动,效果明显。 最后,对与附件振动相关的溢出问题进行了重点分析。利用结构参数的某些有界性质,考虑附件无限阶模态,改进前面针对有限阶模态提出的方法,得到柔性附件对姿态的影响力矩的界函数。将该界函数用于带柔性附件飞行器的控制,就可以防止因溢出而使系统失稳或使控制性能下降。


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