挠性航天器姿态机动和主动振动抑制控制

制器设 计方法 。首先 ， 利用挠性附件 固有物理特性 构造 了一种结 构简单 的开环模 态观测器 ， 然后 以此获得 的模态估 计信 息 及 可测 量的姿态 四元数 和角速度信息 ， 于 自适 应反步设计方法进行 反馈 控制器设计 。设计 中无需 忽略挠性附件和 中心刚 基
体 的耦 合 ， 且挠性模 态振动抑制效果 明显 ， 保证 了闭环 系统 在参 数不确定存在和外部 干扰 作用下的姿态稳定鲁棒性 ， 外部 对 干扰力矩具有 增益抑制性 能。通过 理论 证明和仿真研究证 明了所设 计控制器 的有效性 和可行性。 关 键词 ： 挠性航 天器 ； 姿态 机动 ； 主动振 动抑 制 ； 模态观测器 ； 自适应反 步技 术
不 可避免地受到各种 外部 力矩 的干 扰以及外 界 的其他 信号 的干 扰 。另外 ， 中心刚体和挠性 附件 间的强耦 合作用 ， 以及 附件 的振
动势必然影 响到中心 刚体 姿态 机动 的控制 性 能 ， 而挠性 附件 模 态的不可直接测 量 ， 附件 振动 的主动抑制带 来 困难 。因此 ， 给 挠 性 航天器姿 态机 动 和主 动振 动 抑 制 问题 的研 究 得到 了广泛 的
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其中： ＝而＋ 为系统状态变量； ｑ ｑ ｒ（ ［。 ｇ＝
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于压 电智能 材料的 主动振 动抑 制技 术相 结合 的复合 控 制策 略 ， 有效抑制 了挠性 附件 的振 动。然而 ， 述文 献一 方 面将附 件振 上 动对 中心刚体的作用 看成 外 部有界 扰 动 ， 一 方面则 忽略 中心 另 刚体与挠性 附件耦合 。文献 ［０—１ ］ １ 针对挠性 附件单独 进行控 １ 制 策略研究 。文献 ［０ 在附件参量未 知的情况利用 隐式 自适应 １］
第３ ３卷
第１ 期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ ２年 １月
【 武器装备理论与技术】
挠 性 航 天 器 姿 态 机 动 和 主 动 振 动 抑 制 控 制
张 立 尧 ， 晓红 焦
（ 燕山大学 电气工程学 院 ， 河北 秦 皇岛 ０６０ ） ６０ ４
摘要： 针对挠性航 天器姿态机动控制和主动振 动抑 制问题 ， 出一种具 有干扰抑 制 的 自适 应输 出反馈机 动主动振 动抑制 控 提
重视。
题 。考虑 目前 常采 用 的挠性 附件 主动 振 动抑制 控制 技术 ， 挠 在
性 附件上 粘贴 压电智能元件 ， 提供辅助 控制增 强附件 阻尼性 ， 然 后设计具有姿 态机动和挠性振动 抑制 的反馈控制 器。所得 控制
器具有 以下特性 ： 设计 中无 需 忽略挠性 附件 耦合对 中心 刚体 ① 的影 响 ； 通过压电智能元件 的应用 和控制器设计 ， 性附件振 ② 挠 动抑制效 果明显 ； 设计 中考 虑了航天器转动惯量未知 的情 况 ， ③
无需将 附件振动对 中心 刚体 的作用 看成 外部 有界 扰 动 ， 改善 了
针对挠性 附 件振 动 对航 天 器 中心 刚体 姿 态 机动 的 抑制 问
题， 文献 ［ ２ 将 附件 振动对 中心 刚体 的作用 看成外 部有 界扰 １— ］
动 ， 制律在一定程度 上能达到较好 效果 ， 控 但对 系统稳定性 有一 定影 响 ， 进 一 步改 善 控 制 品质 。文 献 ［ 需 ３—５ 采用 基 于 Ｌ ａ ］ ｙ— ｐ ｎｖ ｕｏ 稳定 性方法 的输 出反 馈 ， 出了基 于附件模 态观测 器 的姿 提 态控制 律 。该方法有效地 抑制了 附件 振动 ， 提高 了控 制精 度 ， 只 是 大多需要转动惯量 精确 已知 －２ ４或其界 已知 。 主动振动抑制 ， 即通过 在附件 上 添加 压 电智 能 材料 作为 执 行 器的补偿器 ， 以较大 幅度地提高模 态阻尼 ， 可 抑制 振动效果 明 显 — ］ ｌ 。文献 ［ ］ 于挠性 模态 观 测器 设计 了控 制 器 ， Ｏ ６基 在转 动 惯 量 已知 的条件 下进行轨迹跟踪 问题 研究 。文献 ［ ７—８ 和文献 ］ ［］ ９ 分别采 用反步 自适 应控制 方法 和滑模 变结 构控制 方法 与基
控 制方法进行 了主动振动抑 制控制研究 。文献 ［ １ 对 比了简单 １］ 的Ｐ Ｄ控制器 和滑模 控制对挠性附件 阻尼 的增 加效果 ， 以实 验 并 平台验证 了控制效果 。但 文献 ［０—１ ］ １ １ 的控 制器研究 同样是 在 忽略 中心 刚体 和挠性 附件耦 合的前提条件下进 行的 。 本文研究 了惯 量参 数未 知 、 在 外部 干扰及 挠性 振 动模 态 存 不可测量情况 下挠 性 航天 器 姿 态机 动 和 附件 主动 振 动抑 制 问
中 图 分 类 号 ：４ ８ ２ Ｖ ４ ．２ 文 献 标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６— ７７ ２ １ ） 一 Ｏ ４—０ １０ ０ ０ （ ０２ 叭 ０ Ｏ ５
航 天器姿态控 制 系统作 为航 天器 控制 中 的重 要组 成部 分 ， 关 系着 入轨后 的航天器 能否以一定 的精 度保持 在预定 的指 向或 位 置。设计一个高性 能的姿态பைடு நூலகம்制 器会面 临很 多 困难。航天 器 在 轨运动 中， 太阳能帆板等 附件 的展开 和收缩 、 燃料 的消耗 以及 有 效载荷 的运动都 会 引起航 天器 惯量 参数 的变 化 ， 同时 航天 器
系统 的控制品质 ； 对外部 干扰 力矩具 有 增 益抑 制性 能 ， ④ 并
保证 了闭环系统在参数不确 定存 在和 外部干扰作 用下 的姿态 稳
定鲁棒性 。
１ 系统 动 态 性 能 描 述 及 控 制 问题
采用 压电作动器控 制 附件振 动 ， 带挠 性 附件 的航天 器 姿态 机动 的运 动学和动力学方程为