利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法技术

本发明专利技术涉及一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，根据系绳回收阶段的特点，分阶段设计了空间绳系抓捕器回收阶段的姿态稳定控制器，所设计的控制器更加节省燃料，并且可以避免回收后期空间平台与末端抓捕器的碰撞；其次，利用分数阶微分的控制器相比于整数阶控制器对输入的响应更快并且超调小；最后，由于分数阶微分计算时对前一时刻状态有记忆，因此本发明专利技术所提出的控制器在回收阶段后期可以在保证回收速度及抓捕器姿态角的情况下，更加平稳地回收系绳。

Attitude stabilization control of phased space rope arresting device using fractional differential

The present invention relates to the use of fractional differential phase space rope catcher attitude stabilization control method, according to the characteristics of the recovery phase of the tether, attitude stabilization controller for space rope protector recovery stage design stage, the controller designed to save more fuel, and can avoid the collision recovery late space platform and end arrest device; secondly, compared to the integer order controller in response to input faster and smaller overshoot by using fractional differential controller; finally, the calculation of the fractional order differential of former state at the time of memory, so the controller provided in the recovery stage can ensure the recovery speed and protector of the attitude angle under the condition of more stable recovery of the tether.

【技术实现步骤摘要】
利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法
本专利技术属于航天器控制技术研究领域，涉及一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法
技术介绍
空间绳系抓捕器是一种结构为“空间平台+连接系绳+柔性系绳+自主机动单元”的新型航天器，其具有灵活、安全等特点，可用于轨道垃圾清理、失效卫星捕获等空间任务，操作范围可达到几十米到几千米，在空间在轨服务应用中有着广泛的作用。根据空间绳系抓捕器的任务流程，可将其任务分为以下五个阶段：释放、逼近目标、目标缠绕抓捕、抓捕后稳定和回收。其中回收阶段是空间绳系抓捕器的研究重点之一。由于空间绳系抓捕器动力学复杂，其控制是一个比较难的问题。目前常见的控制方法多为利用系绳拉力与推力器的协调控制方法，由于在回收阶段初期与后期由于回收速度差别较大，并且控制需求不同，因此设计一个分阶段的空间绳系抓捕器回收阶段姿态稳定控制器十分必要。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，解决空间绳系抓捕器回收阶段姿态稳定的问题，为空间绳系抓捕器的研究奠定了基础。技术方案一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系抓捕器回收阶段动力学模型：其中：其中：k＝1,2,3,4，当k＝1,q＝2,3,4；当k＝2,q＝1,3,；4当k＝3,q＝1,2,；4当k＝4,q＝1,2,；3Λ、lw为无量纲化后的连接系绳长度和柔性绳长度，θ、分别为空间平台俯仰、滚转角，分别为空间平台俯仰、滚转角速度，α、β分别为连接系绳面内角、面外角，空间系绳面内角、面外角速度，αk、βk(k＝1,2,3,4)分别为柔性绳面内角、面外角，分别为柔性绳面内角、面外角速度，Iozz为空间平台绕z轴的转动惯量，Qθ,QψQα,QβQl,分别为空间平台俯仰角的控制力矩、滚转角的控制力矩、平台与末端抓捕器间连接系绳面内角的控制力矩、面内角的控制力矩、连接系绳长度的控制力矩、末端抓捕器柔性绳面内角的控制力矩、末端抓捕器柔性绳面外角的控制力矩，μ为地球引力常数，R为地心到系统质心的距离，Ω为轨道角速度，m0,mt,m分别为与空间平台质量、连接系绳质量、末端抓捕器的质量步骤2、设计回收阶段基于系绳回收速率的PD控制器：其中，kpΛ,kdΛ,kcΛ分别为控制器调节参数，并且Λ*,分别为期望连接系绳长度、期望连接系绳长度变化率；步骤3、设计回收阶段基于系绳回收速率和系绳面内角的PDμ控制器：其中，Dλy2是新定义的分数阶微分，定义为：其中，λ是实数，n是一个确定的整数，Γ(·)是定义为的Γ方程；其中，kpα,kdα,kcα；kpΛ,kdΛ,kcΛ；分别为控制器调节参数，并且α*,分别为期望连接系绳面内角、期望连接系绳面内角速度、期望末端柔性绳面内角、期望末端柔性绳面内角速度、期望末端柔性绳面外角、期望末端柔性绳面外角速度；步骤4：在回收阶段初期，以基于系绳回收速率的PD控制器进行控制；在回阶阶段后期且连接系绳长度小于总长度10％时，以基于系绳回收速率和系绳面内角的PDμ控制器进行控制。有益效果本专利技术提出的一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，根据系绳回收阶段的特点，分阶段设计了空间绳系抓捕器回收阶段的姿态稳定控制器，所设计的控制器更加节省燃料，并且可以避免回收后期空间平台与末端抓捕器的碰撞；其次，利用分数阶微分的控制器相比于整数阶控制器对输入的响应更快并且超调小；最后，由于分数阶微分计算时对前一时刻状态有记忆，因此本专利技术所提出的控制器在回收阶段后期可以在保证回收速度及抓捕器姿态角的情况下，更加平稳地回收系绳。本专利技术是一种结构为“空间平台+连接系绳+柔性系绳+自主机动单元”的新型航天器，其具有灵活、安全等特点，可用于轨道垃圾清理、失效卫星捕获等空间任务，操作范围可达到几十米到几千米，在空间在轨服务应用中有着广泛的作用。附图说明图1为空间绳系抓捕器的结构示意图；其中1为空间平台，2为连接系绳，3为末端绳系抓捕器。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术所采用的技术方案包括以下步骤：1)建立空间绳系抓捕器回收阶段动力学模型；2)设计回收阶段基于系绳回收速率的PD控制器；3)设计回收阶段基于系绳回收速率和系绳面内角的PDμ控制器。所述的步骤1)中，空间绳系抓捕器回收阶段动力学方程为：其中，式(6)、(7)中，k＝1,2,3,4。当k＝1,q＝2,3,4；当k＝2,q＝1,3,4；当k＝3,q＝1,2,4；当k＝4,q＝1,2,3。Λ、lw为无量纲化后的连接系绳长度和柔性绳长度，θ、分别为空间平台俯仰、滚转角，分别为空间平台俯仰、滚转角速度，α、β分别为连接系绳面内角、面外角，空间系绳面内角、面外角速度，αk、βk(k＝1,2,3,4)分别为柔性绳面内角、面外角，分别为柔性绳面内角、面外角速度，Iozz为空间平台绕z轴的转动惯量，Qθ,QψQα,QβQl,分别为空间平台俯仰角的控制力矩、滚转角的控制力矩、平台与末端抓捕器间连接系绳面内角的控制力矩、面内角的控制力矩、连接系绳长度的控制力矩、末端抓捕器柔性绳面内角的控制力矩、末端抓捕器柔性绳面外角的控制力矩，μ为地球引力常数，R为地心到系统质心的距离，Ω为轨道角速度，m0,mt,m分别为与空间平台质量、连接系绳质量、末端抓捕器的质量。所述的步骤2)中，回收阶段基于系绳回收速率的PD控制器设计如下：首先做出如下假设：第一，在回收阶段，将空间平台视为姿态保持不变；第二，参考大量文献得知，面外角摆动幅度远小于面内角，因此忽略连接系绳面外角仅对所有面内角及柔性绳面外角进行控制。由于在回收阶段初期，回收速度较快，并且末端抓捕器的姿态不需要保持在期望姿态，因此仅设计基于系绳回收速率的PD控制器即可。基于系绳回收速率的PD控制器设计如下：其中，kpΛ,kdΛ,kcΛ分别为控制器调节参数，并且Λ*,分别为期望连接系绳长度、期望连接系绳长度变化率。所述的步骤3)中，回收阶段基于系绳回收速率和系绳面内角、面外角的PDλ控制器设计过程如下：在回阶阶段后期，即连接系绳长度小于某一数值时(如20m)，为避免末端绳系抓捕器与空间平台碰撞，需减小回收速度，并且需要保证末端抓捕器的姿态保持在期望姿态，因此需设计更加平稳地控制器。回收阶段基于系绳回收速率和系绳面内角、面外角的PDλ控制器设计如下：其中，Dλy2是新定义的分数阶微分。定义如下：其中，λ是实数，n是一个确定的整数，Γ(·)是定义为的Γ方程。其中，kpα,kdα,kcα；kpΛ,kdΛ,kcΛ；分别为控制器调节参数，eα＝α*-α,并且分别为期望连接系绳面内角、期望连接系绳面内角速度、期望末端柔性绳面内角、期望末端柔性绳面内角速度、期望末端柔性绳面外角、期望末端柔性绳面外角速度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系抓捕器回收阶段动力学模型：

【技术特征摘要】
1.一种利用分数阶微分的分阶段空间绳系抓捕器姿态稳定控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1、建立空间绳系抓捕器回收阶段动力学模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，赵亚坤，孟中杰，刘正雄，张夷斋，张帆，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61