充液航天器的晃動(dòng)抑制與魯棒姿態(tài)控制.pdf

1、液體晃動(dòng)能影響航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是隨著航天器運(yùn)載能力、機(jī)動(dòng)能力、長(zhǎng)壽命等性能的提高，液體質(zhì)量占航天器總質(zhì)量的比值不斷增大，這種不利影響也隨之增大。液體晃動(dòng)問題在充液航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)法避免。
　　液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型是一組非線性偏微分方程，直接在該模型的基礎(chǔ)上做姿態(tài)控制設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度。為此，本文采用一組單擺的等效力學(xué)模型來代替液體的小幅晃動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上建立了充液航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)過分析和仿真發(fā)現(xiàn)

2、，在一定的情況下液體晃動(dòng)會(huì)造成航天器的姿態(tài)失穩(wěn)。
　　充液航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)和姿態(tài)穩(wěn)定時(shí)都會(huì)引起液體的晃動(dòng)。對(duì)于充液航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)的情形，采用時(shí)間最優(yōu)控制完成姿態(tài)機(jī)動(dòng)任務(wù)。結(jié)合輸入成形器的振動(dòng)抑制性能，在保證液體作線性晃動(dòng)和控制力矩不超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出能力的基礎(chǔ)上求解了時(shí)間最優(yōu)控制指令力矩。仿真結(jié)果表明，輸入成形器的引入可以提高時(shí)間最優(yōu)控制指令力矩大小，加速姿態(tài)機(jī)動(dòng)，提高機(jī)動(dòng)結(jié)束后的姿態(tài)穩(wěn)定度，同時(shí)液體晃動(dòng)得到有效抑制。對(duì)于航天器姿

3、態(tài)穩(wěn)定的情形，本文設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋控制器和降維觀測(cè)器，將狀態(tài)反饋控制矩陣和降維觀測(cè)器矩陣進(jìn)行參數(shù)化。在對(duì)狀態(tài)反饋控制矩陣和降維觀測(cè)器矩陣進(jìn)行求解時(shí)，考慮了三個(gè)性能指標(biāo)：對(duì)狀態(tài)最大值的約束、對(duì)控制力矩最大值的約束和模型參數(shù)不確定性的約束。通過求解最優(yōu)性能指標(biāo)的方法求取了狀態(tài)反饋控制律矩陣和降維觀測(cè)器矩陣。最后通過仿真驗(yàn)證，基于降維觀測(cè)器的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的姿態(tài)在短期時(shí)間之內(nèi)就達(dá)到穩(wěn)態(tài)精度要求，液體晃動(dòng)得到抑制，還具有對(duì)參數(shù)不確定性的魯棒性。