一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法技术

一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，为实现光学载荷高质量成像，要求航天器控制系统实现对光学载荷的超高精度指向、超高稳定度控制、超敏捷控制的三超控制。在航天器本体与载荷之间安装具有变刚度变阻尼主动控制能力的主动指向超静平台，本发明专利技术通过建立超静平台‑载荷动力学模型，并将其转换到超静平台的作动器空间；设计航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法；设计了六自由度全频段激振方法和试验装置，通过全物理试验检验了自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，实现对载荷的三超性能控制，实现光学载荷外部全频段扰动1‑2个数量级的衰减，提高了光学载荷的控制精度、稳定度和扰动下的快速稳定性能。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法
本专利技术涉及一种三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，即航天器中的主动指向超静平台自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，属于航天器姿态控制领域。
技术介绍
目前，航天器普遍采用飞轮、控制力矩陀螺等含有高速转子的部件作为姿态控制系统的执行机构。这些高速转动部件不可避免地会产生高频抖动以及微振动，直接影响载荷的工作性能。这无法满足天文观测、极高分辨率对地观测等这类具有光学载荷高性能控制要求的航天任务需求。而航天器多级复合控制系统正是瞄准这类光学载荷高精度姿态控制需求应运而生。航天器多级复合控制系统是指具有“超高精度指向”、“超高稳定度控制”、“超敏捷控制”等三超控制性能的航天器平台。在现有航天器控制系统中，航天器本体和载荷刚性连接，航天器本体中的抖动和微振动直接传递到载荷，影响光学载荷高品质成像性能。而目前的姿态控制方法首先于姿态敏感器等测量精度和测量带宽限制，无法实现对高频抖动的隔离抑制。目前的控制系统存在以下不足：1、无法实现航天器本体的高频微振动的隔离抑制在目前航天器的姿态控制系统中，载荷和航天器本体采用刚性连接。航天器本体中存在的挠性振动和高频微振动直接传递到载荷，造成光学载荷无法进一步提高成像质量。而传统的航天器姿态系统，受限于控制器带宽和执行机构的精度无法实现对挠性振动和高频微振动的主动控制，进一步提高航天器本体的控制精度和稳定度受到限制。2、无法对模型不确定性进行补偿，控制精度较低大多数载荷控制研究中，往往采取“前馈+反馈”的控制形式，再将控制力矩按雅克比矩阵分配到各个作动器上，当模型存在不确定性，或作动器安装点存在误差时，传统控制方法的前馈量会出现误差，导致精度下降。因此有必要开发一种鲁棒控制方法，针对每个作动器设计控制器，使得每个作动器的控制误差能够单独得到反馈，同时考虑模型的不确定性，保证对作动器的高精度控制，实现载荷的三超性能控制。3、无法跟踪控制需求实现刚度阻尼调节，实现全频段扰动抑制现有的控制方法中，往往采取反馈的控制形式，针对通过刚度系数和阻尼系数进行传递的外部扰动，无法根据控制需求进行合理的利用或者抵消扰动，引起光学载荷一定的波动，且收敛时间较长。因此有必要一种自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，针对不同的控制模式，实时进行刚度和阻尼的自适应调节，实现载荷外部扰动的快速抑制，提高载荷稳定度。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，即航天器中的主动指向超静平台自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，能够实现航天器的光学载荷高精度指向控制高稳定度控制，为未来航天器光学载荷超高精度指向、超高稳定度控制、高品质成像提供技术基础。本专利技术的技术解决方案是：一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，包括如下步骤：(1)在航天器本体与载荷之间，安装主动指向超静平台；安装主动指向超静平台由N个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、直线电机以及位移传感器三部分：直线电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，位移传感器能够测量直线电机的平动位移；载荷和主动指向超静平台组成二级控制系统；(2)建立主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型，设定包含作动器输出力矢量、作动器的扰动力矢量与直线电机的控制力之间的关系；(3)对作动器中直线电机设计鲁棒控制器，获得直线电机的控制力；(4)根据航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制的需求，设计单个作动器的全频段扰动激振，求得每个作动器的刚度系数、阻尼系数，根据每个作动器的刚度系数、阻尼系数和直线电机的控制力，获得作动器输出力矢量；(5)采用六自由度激振试验，进行主动指向超静平台变刚度变阻尼全频段扰动抑制测试，获得作动器的扰动力矢量；(6)将步骤(3)获得的直线电机的控制力、步骤(4)获得的作动器输出力矢量和步骤(5)获得的作动器的扰动力矢量，代入步骤(2)的主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型中后，利用直线电机的控制力对作动器的扰动力矢量进行控制，从而实现对主动指向超静平台受到的低频扰动抑制，实现载荷超高稳定度控制。优选的，航天器三超控制系统的控制对象，包括：航天器本体、载荷和主动指向超静平台；航天器三超控制系统，包括：测量敏感器；优选的，航天器三超控制系统中的测量敏感器，包括：载荷测微敏感器、星敏感器；载荷测微敏感器能够测量载荷的角速度、星敏感器能够测量载荷的惯性姿态；优选的，主动指向超静平台安装在航天器本体与载荷之间，由N个作动器并联安装构成，每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、直线电机以及位移传感器三部分：直线电机驱动弹簧-阻尼被动环节，位移传感器用于测量直线电机的平动位移。优选的，(2)在作动器空间中建立载荷的动力学模型如下：其中，M1(Δq,σ)为二级控制系统的质量矩阵，为二级控制系统二级控制系统的阻尼矩阵，为二级控制系统的非线性项；l为作动器的长度矢量，up为作动器输出力矢量；ud表示作动器的扰动力矢量。优选的，作动器的长度矢量l＝(l1、…、lN),li为第i个作动器长度，i＝1、…、N。优选的，作动器输出力矢量为第i个作动器的输出力，i＝1、…、N。优选的，作动器的扰动力矢量为第i个作动器的扰动力。优选的，步骤(6)后还包括步骤(7)(7)将主动指向超静平台与载荷垂直安装在六自由度激振试验台上通过测量六自由度激振试验台角速度以及载荷角速度进行主动指向超静平台自适应变刚度变阻尼全频段扰动测试，得到测量的载荷角速度和测量的六自由度激振台的角速度；根据测量的载荷角速度和测量的六自由度激振台的角速度，得到扰动频率ω0j下的主动指向超静平台扰动衰减率，用于验证步骤(1)～(5)的三超”控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法是否满足要求。优选的，步骤(7)后还包括步骤(8)；(8)判断扰动频率ω0j下的主动指向超静平台扰动衰减率是否满足要求，若扰动频率下的主动指向超静平台扰动衰减率小于要求的衰减率阈值，则判定自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法满足要求；否则，判定自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法不满足要求。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)目前的航天器姿态控制系统只有航天器本体一级姿态控制。载荷和航天器本体刚性连接，航天器本体平台的中高频微振动直接传递在载荷，严重降低了载荷的稳定度指标，而本专利技术通过自适应变刚度变阻尼实现微振动隔离抑制提高载荷稳定度指标。(2)本专利技术的方法设计的航天器“三超”控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，通过自适应改变主动指向超静平台的补偿刚度系数和补偿阻尼数，实现中高频扰动(>10Hz)的20dB的衰减，实现航天器本体平台中低频扰动(<10Hz)10dB的衰减，提高载荷稳定度以及快速收敛时间。(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，其特征在于包括如下步骤：/n(1)在航天器本体与载荷之间，安装有主动指向超静平台；主动指向超静平台由N个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、直线电机以及位移传感器三部分：直线电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，位移传感器能够测量直线电机的平动位移；载荷和主动指向超静平台组成二级控制系统；/n(2)建立主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型，设定包含作动器输出力矢量、作动器的扰动力矢量与直线电机的控制力之间的关系；/n(3)对作动器中直线电机设计鲁棒控制器，获得直线电机的控制力；/n(4)根据航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制的需求，设计单个作动器的全频段扰动激振，求得每个作动器的刚度系数、阻尼系数，根据每个作动器的刚度系数、阻尼系数和直线电机的控制力，获得作动器输出力矢量；/n(5)采用六自由度激振试验，进行主动指向超静平台变刚度变阻尼全频段扰动抑制测试，获得作动器的扰动力矢量；/n(6)将步骤(3)获得的直线电机的控制力、步骤(4)获得的作动器输出力矢量和步骤(5)获得的作动器的扰动力矢量，代入步骤(2)的主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型中后，利用直线电机的控制力对作动器的扰动力矢量进行控制，从而实现对主动指向超静平台受到的低频扰动抑制，实现载荷超高稳定度控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在航天器本体与载荷之间，安装有主动指向超静平台；主动指向超静平台由N个作动器并联安装构成；每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、直线电机以及位移传感器三部分：直线电机能够驱动弹簧-阻尼被动环节，位移传感器能够测量直线电机的平动位移；载荷和主动指向超静平台组成二级控制系统；
(2)建立主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型，设定包含作动器输出力矢量、作动器的扰动力矢量与直线电机的控制力之间的关系；
(3)对作动器中直线电机设计鲁棒控制器，获得直线电机的控制力；
(4)根据航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制的需求，设计单个作动器的全频段扰动激振，求得每个作动器的刚度系数、阻尼系数，根据每个作动器的刚度系数、阻尼系数和直线电机的控制力，获得作动器输出力矢量；
(5)采用六自由度激振试验，进行主动指向超静平台变刚度变阻尼全频段扰动抑制测试，获得作动器的扰动力矢量；
(6)将步骤(3)获得的直线电机的控制力、步骤(4)获得的作动器输出力矢量和步骤(5)获得的作动器的扰动力矢量，代入步骤(2)的主动指向超静平台与载荷之间的动力学模型中后，利用直线电机的控制力对作动器的扰动力矢量进行控制，从而实现对主动指向超静平台受到的低频扰动抑制，实现载荷超高稳定度控制。


2.根据权利要求1所述的一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，其特征在于：航天器三超控制系统的控制对象，包括：航天器本体、载荷和主动指向超静平台；航天器三超控制系统，包括：测量敏感器。


3.根据权利要求2所述的一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，其特征在于：航天器三超控制系统中的测量敏感器，包括：载荷测微敏感器、星敏感器；载荷测微敏感器能够测量载荷的角速度、星敏感器能够测量载荷的惯性姿态。


4.根据权利要求1所述的一种航天器三超控制自适应变刚度变阻尼全频段扰动抑制方法，其特征在于：主动指向超静平台安装在航天器本体与载荷之间，由N个作动器并联安装构成，每个作动器包含并行安装的弹簧-阻尼被动环节、直线电机以及位移传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤亮，袁利，关新，王有懿，姚宁，宗红，郝仁剑，郭子熙，张科备，冯骁，刘昊，龚立纲，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11