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充液航天器的晃动抑制与鲁棒姿态控制

陈绍红  
【摘要】:液体晃动能影响航天器姿态控制系统的稳定性。尤其是随着航天器运载能力、机动能力、长寿命等性能的提高,液体质量占航天器总质量的比值不断增大,这种不利影响也随之增大。液体晃动问题在充液航天器的姿态控制系统设计中无法避免。 液体晃动动力学模型是一组非线性偏微分方程,直接在该模型的基础上做姿态控制设计具有相当的难度。为此,本文采用一组单摆的等效力学模型来代替液体的小幅晃动,并在此基础上建立了充液航天器的姿态动力学模型。经过分析和仿真发现,在一定的情况下液体晃动会造成航天器的姿态失稳。 充液航天器姿态机动和姿态稳定时都会引起液体的晃动。对于充液航天器姿态机动的情形,采用时间最优控制完成姿态机动任务。结合输入成形器的振动抑制性能,在保证液体作线性晃动和控制力矩不超过执行机构最大输出能力的基础上求解了时间最优控制指令力矩。仿真结果表明,输入成形器的引入可以提高时间最优控制指令力矩大小,加速姿态机动,提高机动结束后的姿态稳定度,同时液体晃动得到有效抑制。对于航天器姿态稳定的情形,本文设计了状态反馈控制器和降维观测器,将状态反馈控制矩阵和降维观测器矩阵进行参数化。在对状态反馈控制矩阵和降维观测器矩阵进行求解时,考虑了三个性能指标:对状态最大值的约束、对控制力矩最大值的约束和模型参数不确定性的约束。通过求解最优性能指标的方法求取了状态反馈控制律矩阵和降维观测器矩阵。最后通过仿真验证,基于降维观测器的状态反馈控制系统的姿态在短期时间之内就达到稳态精度要求,液体晃动得到抑制,还具有对参数不确定性的鲁棒性。


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