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    重庆时时彩计划qq群: 一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610589119.6

    申请日:

    2016.07.22

    公开号:

    CN106125750A

    公开日:

    2016.11.16

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05D 1/08申请日:20160722|||公开
    IPC分类号: G05D1/08 主分类号: G05D1/08
    申请人: 北京控制工程研究所
    发明人: 张军; 刘成瑞; 张志方; 林瀚峥; 董文强; 何英姿
    地址: 100080 北京市海淀区北京2729信箱
    优先权:
    专利代理机构: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 陈鹏
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610589119.6

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.12.21|||2016.12.14|||2016.11.16

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法。大型组合体航天器质量达到百吨至千吨吨量级,与普通航天器采用磁力矩器进行卸载不同,工程上不存在与大型组合体干扰相匹配的磁力矩器。对大型组合体进行系统建模,包括对姿态动力学建模、执行机构的角动量动力学建模,对环境力矩,包括重力梯度力矩、气动力矩均进行了详细建模??悸堑街亓μ荻?、气动力矩的频率成份均与轨道角速度相关,因此利用内模原理,对环境力矩的各频率成份幅值进行辨识,利用LQR方法设计状态空间系统的反馈控制器,实现了利用重力梯度力矩、气动力矩的大型组合体的姿态控制。

    权利要求书

    1.一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法,其特征在于包括以下步骤:
    (1)定义轨道坐标系XYZ,设原点位于航天器质心,Z轴指向地心,X轴指向飞行方向,Y轴
    与X、Z轴形成直角坐标系;本体坐标系X0Y0Z0,原点位于组合体的质心,X0轴、Y0轴、Z0轴分别
    对应与X轴、Y轴、Z轴平行;航天器的角动量为:
    <mrow> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>a</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&Delta;H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>
    其中,上标n表示在轨道系内表示的变量,为标称角动量,表示为:
    <mrow> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msup> <mi>J</mi> <mi>n</mi> </msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>-</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
    其中,Jn为星体转动惯量,设在组合体本体坐标系内的转动惯量为J,从轨道坐标系到组
    合体本体坐标系的坐标转换矩阵为Abn,则:
    <mrow> <msup> <mi>J</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>T</mi> </msubsup> <msub> <mi>JA</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow>
    <mrow> <mi>J</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>11</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>12</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>13</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>21</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>22</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>23</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>31</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>32</mn> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>33</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
    ω0为轨道角速度的大??;为由于实际存在星体姿态角速度而引起的波动角动量;
    对角动量方程求导,得轨道系内星体的姿态动力学方程:
    <mrow> <mi>&Delta;</mi> <msubsup> <mover> <mi>H</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&Omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>&Delta;H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&Omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mi>T</mi> <mi>n</mi> </msup> </mrow>
    其中,Tn为重力梯度力矩气动力矩控制力矩组成的外作用力矩;
    <mrow> <msup> <mi>T</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>g</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>
    <mrow> <msubsup> <mi>&Omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
    (2)对重力梯度力矩和气动力矩进行建模,在姿态小角度假设下,重力梯度力矩表示
    为:
    <mrow> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>g</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mn>3</mn> <msubsup> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>23</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>13</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <msubsup> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>33</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>22</mn> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>12</mn> </msub> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>13</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>J</mi> <mn>12</mn> </msub> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>33</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>11</mn> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>J</mi> <mn>23</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <msubsup> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>b</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>为三
    轴姿态;
    对气动力矩建模,具有如下形式:
    <mrow> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>&times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>+</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&theta;</mi> <mi>x</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&theta;</mi> <mi>y</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&theta;</mi> <mi>z</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
    其中,raero=[rx ry rz]T为气动力压心到星体质心的距离,faero=[fx fy fz]T为气动力;
    (3)系统姿态运动学方程表示为
    <mrow> <msubsup> <mover> <mi>&theta;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>n</mi> <mi>b</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>&theta;</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> </msub> <msubsup> <mi>&theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>b</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>J</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msubsup> <mi>&Delta;H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>&theta;</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>J</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mo>&times;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&Omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>
    右上标×代表三维列阵的斜对角阵,下标nb代表本体坐标系相对轨道坐标系的变量;
    (4)控制力矩陀螺的角动量动力学方程为:
    <mrow> <msubsup> <mover> <mi>h</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&Omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>h</mi> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>
    其中,上标n表示变量在轨道系内表示,下标in代表轨道系相对惯性系的角速度,

    <mrow> <msup> <mi>T</mi> <mi>n</mi> </msup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>g</mi> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>d</mi> <mi>n</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msubsup> </mrow>
    (5)由于航天器在轨运动时,干扰力矩由常值和轨道角速度的倍频成分构成,在已知其
    频率情况下,采用如下形式的内模原理对干扰力矩建模:
    <mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mi>u</mi> </mrow>
    <mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mn>4</mn> <msubsup> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mi>u</mi> </mrow>
    <mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo> </mover> <mo>+</mo> <mn>9</mn> <msubsup> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mi>u</mi> </mrow>
    f是基于内模原理的滤波变量;令u=θx,θy,θz或u=hcx,hcy,hcz,即分别对θx,θy,θz,hcx,
    hcy,hcz的相应频率成份完成建模;
    (6)构建联合动力学方程;将上面的姿态动力学、姿态运动学、控制力矩陀螺的角动量
    动力学方程联立,同时根据内模原理,加入可以抑制指定频率造成干扰的滤波变量,得到如
    下状态空间形式的方程
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    其中:
    I为单位阵;
    f0表示可以抑制常值成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量,f11、f12表示用于
    抑制1倍轨道角速度频率成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量;f21、f22表示用于
    抑制2倍轨道角速度频率成份的外力矩对或造成干扰的滤波变量;A0h、A0θ、A11h、A11θ、
    A12h、A12θ、A21h、A21θ、A22h、A22θ为系数矩阵;
    (7)上面的联合动力学方程式为一个标准的状态空间方程,采用LQR方法,设计相应的
    反馈控制器,执行机构执行反馈控制器指令,实现姿态控制。
    2.根据权利要求1所述的一种基于内模原理的大型组合体姿态控制方法,其特征在于:
    步骤(7)中所述的反馈控制器形式为:
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    其中,Korb是如下Riccati方程的解:
    ATS+SA-SBBTS+Q=0
    其中,Q为五行五列的正定矩阵,根据选取的Q计算得到S;
    Korb=BST。

    关 键 词:
    一种 基于 原理 大型 组合 姿态 控制 方法
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