基于滑模输出反馈与输入成形控制相结合的挠性航天器主动振动抑制方法
胡庆雷, 马广富
(哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系,哈尔滨 150001)
摘 要 针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题,提出了一种基于输出反馈滑模控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略。输入形成器作为前馈控制器作用在反馈回路的前相通道,通过改变输入命令的作用形式,在保证参考模型(标称对象)完成指定的姿态机动的同时抑制掉对系统影响较大的挠性结构的振动;而对于闭环控制回路,考虑挠性结构模态不可测、模型参数具有不匹配不确定性以及外干扰力矩的作用,在输出反馈滑模控制的基础上,给出了仅利用输出信息的滑模控制器设计方法,保证跟踪参考模型的输出以获得要求的闭环系统的性能。将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest-to-rest (静止到静止)姿态机动控制进行了仿真研究,结果表明,所提出的方法是可行而有效的。
关键词:振动抑制,输入成形(IS),挠性航天器,输出反馈滑模控制,姿态机动,不匹配不确定性
中图分类号: V448. 2 文献标识码: A
现代的航天器通常带有诸如大型太阳帆板或其它轻型结构的挠性附件。在这类航天器的飞行过程中,为完成指定的任务,常常要求航天器进行快速大角度姿态机动,并且姿态控制具有高精度、高稳定度。在此过程中,航天器中心刚体和挠性附件之间存在着强烈的刚挠耦合,会导致结构的持续振动。而传统的被动振动控制难以满足要求,因此,寻求一种主动振动抑制方法对空间挠性结构进行振动主动控制显得尤为重要。
近年来,输入成形[1-4](Input Shaping,简称IS)振动抑制方法成为振动控制领域的热点。该方法被成功地用于挠性结构的轨迹跟踪[2];Banerjee等人[3]将输入成形技术用于产生卸载挠性航天器动量的喷气指令,这样可以在卸载飞轮动量的同时,抑制掉挠性结构的振动,并且也不用增加额外的燃料; Singhose等人[4]还将输入成形技术用于挠性结构的大角度姿态机动中,以改善机动的性能。然而在实际应用中,由于求取脉冲的幅值和作用时刻要求精确的数学模型,其解对模型具有严重的依赖性和对于模型参数的变化很敏感,并且涉及到非线性优化计算,而其所谓的鲁棒性,是令谐振频率处的偏微分方程等于零,而没有考虑其它模型不确定性以及参数摄动和外界干扰的影响。
滑模控制由于具有良好的鲁棒性和处理非线性问题的一些独到优点,如当系统进入滑动模态后具有对参数变化和外部扰动不敏感的特性,在航天器的控制上得到了广泛的应用[5-10]。然而,对于通常的滑模控制,一方面,需要全状态信息进行反馈控制[5, 9];另一方面,通常假设系统的不确定性和外部干扰满足匹配条件[11]。然而,对于挠性航天器,其挠性附件的各阶模态为不可测的状态变量,而且其受到的外部干扰力矩或存在的模型不确定性很难满足匹配条件,即使在一定条件满足匹配条件,但存在很大的保守性。
为此,在文献[12, 13]研究的基础上,一方面,考虑挠性航天器本身挠性模态不可测、存在非匹配模型不确定性及外部扰动;另一方面,在姿态机动过程中,需要抑制挠性附件因机动而激发的振动以保持机动过程的平稳性,提出了基于输出反馈滑模控制和输入成形技术相结合的一种复合控制方案来解决挠性航天器的大角度机动控制问题,其原理如图1所示。其中输入形成器的控制作用在反馈回路的前端,成形控制在保证参考模型(标称对象)完成指定的姿态机动的同时抑制掉对系统影响较大的挠性结构的振动。而对于闭环控制回路滑模控制器的设计,考虑挠性结构模态不可测、模型参数存在不匹配不确定性以及外干扰力矩的作用,仅利用误差模型的输出信息,保证跟踪参考模型的输出以获得要求的闭环系统的性能。
1 输入成形器设计方法
输入成形是指由脉冲序列(称为输入成形器, in-put shaper)与期望的输入相卷积,所形成的新的指令作
2)第二种情况:虚线为成形的后期望输入(幅值为60°的阶跃输入与成形器相卷积),稳定时间约为35 s,姿态的稳定周期误差约为0. 005°,姿态角速度的稳定周期误差约为0. 001°,振动能量的最大值幅值达到0. 05 Nm,控制力矩的最大值超过4 Nm。
3)第三种情况:期望输入是幅值为60°的阶跃输入,稳定时间约为35 s,姿态的稳定周期误差约为0. 005°,姿态角速度的稳定周期误差为0. 000 2°,振动能量的最大值幅值小于0. 015 Nm,控制力矩的最大值小于1. 5 Nm。
4)第四种情况:虚线为成形的后期望输入(幅值为60°的阶跃输入与成形器相卷积),稳定时间约为35 s,姿态的稳定周期误差约为0. 000 1°,姿态角速度的稳定周期误差约为0. 000 01°,振动能量的幅值的最大值略大于0. 005 Nm,控制力矩的最大值小于1Nm。
第一种情况与第二种情况相比,通过采用输入成形方法对挠性结构进行主动振动抑制,使得振动能量明显减小,并且控制力矩也减小,但是机动需要的时间稍微增加,约为35 s。第三种情况与第一种情况相比,采用输出反馈滑模控制在减小挠性结构的振动的同时,可以减小控制量。第三种情况与第四种情况相比,通过采用输入成形方法对挠性结构进行主动振动抑制,使得挠性结构的振动能量显著下降,姿态的控制精度也提高了一个数量级,并且控制力矩的抖动也比较小。表明了本文方法的有效性。
4 结 论
1)通过采用输出反馈滑模控制,避免设计状态观测器以及引入状态观测器误差,与PD控制相比,在减小挠性结构振动能量的同时,降低了所需力矩的控制量。
2)通过采用输入成形振动抑制方法,可以有效地抑制挠性结构的振动,并且设计输入成形器方法比较简单,仅需闭环系统的振动频率和阻尼系数,计算量也较小。
3)通过将输出反馈滑模控制和输入成形方法相结合,使得挠性结构的振动能量显著下降,姿态控制精度较高,而控制力矩的抖动较小。
4)进一步工作是将本文方法应用于挠性结构振动抑制试验研究中。
|
