航天器姿态控制干扰抑制及振动隔离问题研究

作     者：马晶晶 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李传江

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：航天器姿态控制 干扰抑制 轨迹线性化控制 滑模控制 振动隔离 Stewart平台 

摘      要：当今航天器的结构日益复杂,执行的任务越来越多种多样,所面临的干扰也越来越难以描述,航天器的姿态控制显得愈发复杂和重要。一些任务要求航天器有很高的指向精度并且能够快速机动到位,另一些任务则需要航天器能够实现对给定轨迹的精确跟踪。因此,研究一类更加实用和有效的航天器姿态控制和干扰抑制算法显得尤为重要。针对以上问题,本文主要针对航天器姿态跟踪控制中干扰抑制以及振动隔离问题展开了了如下研究:针对挠性航天器姿态跟踪过程的干扰抑制问题进行了研究。考虑由欧拉角描述法建立的航天器姿态运动学模型,设计了基于非线性干扰观测器的轨迹线性化控制方案。轨迹线性化控制非常适合解决非线性的跟踪问题,且工程实用性强,但对干扰的抑制能力有限,因此使用干扰观测器对干扰进行反馈补偿。由于欧拉角在特定的角度会发生奇异,因此,后续的姿态控制方案采用了基于四元数运动学模型。为了增强挠性航天器姿态跟踪过程的鲁棒性,设计了基于HJI理论的滑模鲁棒控制器,并定义滑模函数为评价信号,采用系统的L2增益为性能指标,表征系统的抗干扰能力。理论分析和数值仿真都表明了该算法的有效性。前两种控制算法都将动力学模型中挠性附件与本体的耦合项当做等效干扰,且没有考虑实际工程中航天器转动惯量的不确定性。鉴于此,通过利用自适应技术对不确定性进行估计,设计了一类自适应滑模控制方案。上述三种控制算法都能使挠性航天器在有限时间内实现对期望姿态的跟踪,并能抑制外部干扰。此外,鉴于空间任务对敏感载荷的指向精度要求越来越高,只对航天器本体进行姿态控制已经很难满足要求,需要对敏感载荷采取一定的隔振措施。本文在敏感载荷与振动源之间加入Stewart平台作为振动隔离器,以最大程度地减少振动源对敏感载荷的振动传递。首先,本文进行了敏感载荷的振动隔离研究,针对以音圈电机作为执行机构的立方体构型的6自由度隔振Stewart平台设计基于扩张状态观测器的PD主被动隔振,与被动隔振相比,平台对宽频带内的正弦信号干扰和随机噪声的隔振性能得到了提高。为了进一步提高平台的隔振性能,设计了基于反步法和滑模控制的主被动隔振算法。相比于PD主被动隔振控制,平台的隔振性能进一步得到了提高,尤其是对中高频的正弦信号干扰和随机噪声。