健壮的H_∞控制与柔性附件航天器

文摘

针对航天器与大型挠性附件的振动抑制,我们建议使用一个控制策略H_∞控制。加权函数设计为特定的灵活模式的航天器和谐波干扰的频率的操作环境。考虑系统的结构不确定性建模和系统带宽约束的综合性能要求和态度稳定,H_∞综合性能矩阵构造。一个太空望远镜,灵活的太阳能电池阵列提出了作为一个说明性的例子,和一个控制设计提出了指向精度满足要求。仿真结果表明,所设计的控制器满足态度稳定和指向精度高的要求,并有效地抑制流行频率的干扰。的设计方案和选择方法,本文中所示的权函数可以引用为振荡抑制控制器设计这种类型的飞船与灵活的结构。

1。介绍

宇宙飞船与灵活的附属物,如航天器携带大型柔性太阳能电池板,与多个系统结构共振模式。这种类型的灵活的系统的共振模式大大改变其振幅特征,和带宽的选择大大限制造成的固有的低频干扰复杂的发射环境和高海拔环境在在轨操作和系统本身的灵活模式(1- - - - - -3]。控制的难度设计这种灵活的系统不仅抑制固有共振干涉也满足控制精度的要求,同时考虑到要求的态度系统的稳定性和带宽限制(4,5]。

随着航空航天工程的发展和日益多样化任务的飞船,飞船的控制精度越来越苛刻。此外,由于新的复合材料的发展和广泛的应用在航空航天领域,大型航天器的灵活的比例不断增加,这使得系统的控制更加复杂和困难。飞船与大型挠性附件的振动抑制一直是一个活跃的研究课题在航空航天领域。在[6),一个灵活的飞船模型建立与外部扰动和模型的不确定性,并构造一个观察者观察的态度,角速度,系统的干扰。此外,系统的稳定控制和干扰抑制是动态补偿线性化来实现的。文献[7]研究哈勃太空望远镜的经典控制设计挠性附件并给出一个设计方案的经典控制。在拟议的计划,一个陷波滤波器串联PID控制器用来实现稳定控制和干扰抑制,和内部模型控制器连接在系列抑制独特的共振干涉。该控制器可以抑制特定频率的谐振模式,但它不能考虑到系统的稳定性和鲁棒性。研究表明,很难用经典控制平衡多种灵活的集成控制航天器的性能要求与多个性能要求(8]。然而,H_∞控制理论是一种合成的控制理论,它可以包括多个性能需求设计(9- - - - - -18),它解决了控制问题与多个性能要求并考虑了多个系统的性能要求的前提下保证系统的鲁棒性。近年来,H_∞控制理论已广泛应用于航天器的控制。目前,现代控制理论等强劲H_∞控制、鲁棒自适应控制综合控制是有用的振荡抑制挠性航天器和详细讨论了(19- - - - - -23]。

在本文中,一个太空望远镜,灵活的太阳能电池阵列提出了作为一个说明性的例子来研究大型挠性航天器的振动抑制问题。针对系统的具体的干扰频率,相应的H_∞权重函数的目的是实现衰减和干扰H_∞控制器,满足系统的稳定鲁棒性和态度。仿真结果表明,本文所设计的控制器可抑制共振干涉宇宙飞船固有频率和满足稳定和带宽限制。的设计方案和选择方法,本文中所示的权函数可以引用为振荡抑制控制器设计这种类型的飞船与灵活的结构。本文表明,该系统模型的结构和控制问题简要描述部分2和性能的要求H_∞设计和选择方案的权重函数部分所示3;部分4是一个性能分析,部分5是结论。

2。分析系统模型和控制问题

大型挠性附件的太空望远镜,见图1,由陀螺仪提供速度和态度的信息,精确制导传感器和追踪器补充信息的态度,反应车轮提供控制力矩,和两个大柔性太阳能电池板在另一边。

在本文中,我们只考虑哈勃太空望远镜的俯仰轴控制设计问题,和其他轴采用相同的控制结构。根据相关数据(7),哈勃太空望远镜致动器的输出在俯仰轴指向误差输出角可以建模为一个刚体的总和模块和一些灵活的模块: 在哪里是拉普拉斯转换变量, 是航天器惯性,是我th俯仰轴灵活的方式获得,是我在rad / s th灵活模式频率,是被动阻尼比为0.005。其他灵活的模块的参数如表所示1。

图2显示了系统框图的哈勃太空望远镜。反应轮有一个执行机构饱和限制2.5海里。介绍了time-prolonging链接描述控制器输出和执行机构之间的时差。因此,延迟链接参数 。速率陀螺可以表示为一个二阶振荡环节, 和 。

固有的低频扰动引起的哈勃太空望远镜的高海拔环境建模为在轨道上 在哪里 rad / s和 rad / s是低频扰动的频率和阶段是未知参数。

根据哈勃太空望远镜俯仰轴模型给出的公式(1级),波德图的循环系统的传递函数没有控制器如图3。在这个图中,我们可以看到这种挠性航天器的系统模型包含多个谐振模式,使航天器的频域特征幅值差异很大。这些灵活的模式与弱阻尼系统的性能造成很大的干扰,以及固有的低频干扰系统的操作环境和灵活的模式极大地限制带宽的选择。高精度空间摄影任务,系统的输出误差应不超过0.007角秒。因此,设计的控制器应能有效地解决太阳能电池板的干扰抑制,抑制系统的固有的灵活性,它应该满足一定的带宽需求。总之,控制设计目标可以表示如下:(1)给哈勃太空望远镜系统指向精度高(2)维护这个系统带宽超过1.5赫兹(3)至少提供20 dB附加扰动衰减造成的扰动的太阳能电池阵列(4)至少提供6分贝增益抑制柔性结构的系统

3所示。健壮的H_∞控制设计

3.1。系统性能需求

我们可以看到在图3,系统有一个0.16赫兹获得交叉频率,这是极低的。因此,系统的带宽很小,和干扰抑制性能很差。系统的性能需求之一是交叉频率需要增加。带宽增加,柔性太阳能板的振动抑制。

此外,从图可以看出3主要有几种弯曲模式在13赫兹14 Hz系统中,可视为高频未建模动态,即系统的不确定性。当系统有这样的不确定性,系统的控制结构框图如图4。在控制问题的研究,只有哈勃太空望远镜的刚体模块建模,和其他灵活的模块被视为系统的不确定性。系统的不确定性表达的乘性不确定性: 在哪里 是控制对象的数学模型构造的基础上,研究问题,代表系统的结构不确定性,代表系统的非结构不确定性,是真正的控制对象的数学模型。因此,第二个系统鲁棒稳定性的性能需求。

在图4,代表了结构化和非结构化的不确定性系统的不确定性, , ,和性能权重函数,不确定因素权重函数,和输入系统的权重函数,分别是系统的错误输出,Z₁和Z₂系统的输出性能。

3.2。选择的权重函数

根据上述分析,控制系统的性能需求设计系统的带宽需求和鲁棒稳定性的要求。接下来,我们将基于这两个性能要求选择合适的权重函数。

根据经验,性能权重函数W1一般应该包括积分控制规律。针对太阳能电池阵列振荡在0.12赫兹和0.66赫兹,系统应该能够提供足够的衰减干扰而不影响系统的中频域的稳定性。人工阻尼很小(约0.01)需要纯虚构的波兰人为方便避免数值的问题解决H_∞控制器。一定数量的反复试验后,我们选择的性能权重函数衰减扰动,如以下公式所示,这个权重函数的波德图如图5:

它可以看到从哈勃太空望远镜系统的波德图没有控制器,如图3,系统性能是由几个占主导地位的强烈影响弯曲模式系统中13赫兹到14 Hz。因此,权重函数应该有切口性能好。此外,由于广义植物的等级要求H_∞控制理论的分子和分母应该有相同的顺序。最后,我们选择下面的鲁棒稳定性加权函数:

从图可以看出6加权函数有一个振幅增益为55.9 dB在13.8赫兹和20 dB在高频率。权重函数可以确保系统有抑制作用在13∼14 Hz和灵活的模块对高频噪音信号衰减的影响。因此,权重函数的选择是合理的。

3.3。H_∞控制器

经过反复迭代计算,H_∞控制器 终于得到了,见公式(8): 的参数 。函数的零和波兰非常接近对方,他们可以被认为是两双偶极子。因此,简化H_∞控制器可以通过pole-zero取消和删除的微小扰动引入在分母上:

设计的控制器需要相应的验证这一点H_∞标准指标 。奇点闭环传递函数的曲线从扰动输入性能输出如图7。从图可以看出,最大奇点约为18.2 dB = 8.17,这是符合了标准指标 。

此外,我们分析设计控制器的性能被应用于俯仰轴控制系统。从闭环系统的波德图如图8,我们可以看到,系统执行一个戏剧性的增益衰减为特定频率干扰。

可以看到波德级阴谋的开环传递函数(图9),系统与控制器由方程(9)有一个1.6赫兹获得交叉频率,满足不少于1.5赫兹的带宽要求。此外,针对高频的振荡抑制弯曲模式,控制器提供了一个超过100 dB的增益抑制。设计H_∞控制器不仅抑制了固有共振干涉,也满足一定的带宽需求。

4所示。性能分析

系统的时间响应控制的设计H_∞控制器如图10。可以看出太阳能阵列的有效抑制扰动在0.12赫兹和0.66赫兹,取得符合要求的振动抑制和指向精度高的系统,没有超过2.5 Nm的致动器限制。从图可以看出8控制器实现控制目标,获得衰减扰动的太阳能电池板。

本文设计的性能H_∞控制器与传统PID控制器相比,和他们的系统时间响应如图11。从图中,我们可以看到,PID控制器能够稳定系统的刚性模块在特定频率和抑制扰动因为介绍的内部模式滤波器和陷波滤波器。然而,设计H_∞控制器比PID控制器具有更好的干扰抑制,导致系统的动态稳定性能更好。此外,H_∞控制器不需要额外的过滤器的设计。

5。结论

针对航天器的全面问题与灵活的附属物,如柔性结构振动,带宽不足,指向精度低,和不确定性造成的结构性变化,H_∞本文采用控制方法。选择合适的加权函数通过分析性能需求抑制柔性结构的振动,提高系统的带宽。最后,一个H_∞控制器和鲁棒稳定性。仿真结果表明,所设计的控制器能有效抑制太阳能板的振动。同时保持系统的带宽,它也抑制了高频谐振的振动模块,使系统满足高指向精度的要求。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章和其他数据或程序使用可以获得从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由贵州省科学技术基金会(QiankeHe 1 y273[2020]和[2020]1 y266),中国国家自然科学基金会(NNSF)赠款61861007和61861007下,贵州省工业研究项目(QiankeHe支持[2019]2152号),理论和应用的物联网图书馆(KCALK201708)情况下,贵州省农业研究项目(QiankeHe支持[2017]2520 - 1),创新群体项目贵州省的教育部门(2020003),受试者ZDXK[2015] 8号和贵州省级教育部门,青年人才发展项目,Qianke肯塔基州[2021]100。

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