一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法技术

一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，适用于极高分辨率对地观测、空天动目标敏捷跟踪等具有载荷敏捷机动与快速稳定需求的领域。所设计的“三超”平台包括星体一级姿态控制以及主动指向超静平台二级控制。在大角度快速机动过程中，星体一级进行主动姿态控制，实现6(°/s)敏捷机动，主动指向超静平台进行被动隔振控制。当星体一级姿态机动到位且载荷姿态误差在主动指向超静平台控制范围内时，采用多项式规划方法对机动到位后的载荷偏差姿态Δθp进行平滑过渡，并进行主动指向超静平台二级控制实现载荷快速稳定。仿真结果表明，载荷快速稳定时间优于2.5s，而星体平台稳定时间为6s。

An agile mobile and fast stable control method for three super platforms

An agile maneuver and fast stability control method for three super platforms is proposed, which is suitable for the fields of extremely high resolution earth observation, space and space moving target agile tracking and so on. The designed \three super\ platform includes the first-order attitude control of the star and the second-order control of the active pointing hyperstatic platform. In the process of large angle rapid maneuver, the active attitude control is carried out at the first stage of the satellite, and the agile maneuver is realized at 6 (degree/s). The passive vibration isolation control is carried out by the active pointing to the hyperstatic platform. When the first-order attitude maneuver is in place and the load attitude error is within the control range of the active pointing hyperstatic platform, the polynomial programming method is used to smooth the transition of the load deviation attitude_theta P after the maneuver is in place, and the second-order control of the active pointing hyperstatic platform is used to realize fast load stability. The simulation results show that the load stability time is better than 2.5s, while the stellar platform stability time is 6S.

【技术实现步骤摘要】
一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法
本专利技术属于航天器姿态控制领域，涉及一种实现三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法。
技术介绍
随着天基天文观测、极高分辨率对地观测等航天器任务提出了光学载荷超高精度指向超高稳定度控制超敏捷控制等“三超”控制需求。尤其是极高分辨率对地观测航天任务提出了实现敏捷卫星快速机动并快速稳定的能力，从而提高光学载荷成像速度和成像质量。传统的航天器器受限于敏感器测量带宽、执行机构响应带宽等因素，难以满足光学载荷“三超”控制需求。针对此问题，基于主动指向超静平台的“三超”平台应运而生。“三超”平台星体和载荷通过柔性主动指向超静平台连接，通过主动指向超静平台二级控制，实现载荷高性能控制与快速机动快速稳定控制。针对新型的“三超”平台两级复合系统，需要设计两级复合控制方法，实现航天器光学载荷高精度指向高稳定控制。而在航天器敏捷机动过程中，要求航天器具有超高的敏捷机动能力，并且在航天器星体平台敏捷机动后能够快速稳定载荷，提升使用效能。这要求两级复合控制技术同时解决航天器“快”与“稳”的矛盾问题。现有航天器敏捷机动与快速稳定控制方法存在以下不足：1、难以实现载荷高精度指向与高稳定控制目前的航天器姿态控制系统仿真模型只有星体一级模型，不包含主动指向超静平台和光学载荷二级动力学模型。受限于敏感器测量带宽、执行机构响应带宽等因素无法进一步提高载荷的指向精度。同时载荷和星体采用刚性连接，星体中存在的挠性振动和高频微振动直接传递到载荷，无法实现星体微振动的隔离抑制，造成光学载荷姿态稳定度下降。进一步提高光学载荷成像质量遇到技术瓶颈。2、难以实现载荷敏捷机动与快速稳定控制传统的航天器姿态控制带宽一般在0.1Hz左右，同时测量敏感器带宽与执行机构带宽较窄，在载荷敏捷机动到位后无法实现快速稳定控制。目前基于PID控制器的航天器在大角度敏捷机动到位后往往需要十多秒的稳定时间。若考虑挠性振动等影响，其敏捷机动到位后的稳定时间更长。针对此问题，本专利技术设计了一种基于“三超”平台的两级姿态快速机动和快速稳定控制方法，实现载荷姿态到位即稳。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，能够实现载荷大角度敏捷机动与快速稳定控制。并在载荷机动到位后实现载荷高精度指向与高稳定控制。为未来航天器光学载荷超高精度指向、超高稳定度控制、超敏捷控制、高品质成像提供技术基础。本专利技术的技术解决方案是：一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，所述三超平台包括星体、载荷、敏感器、执行机构；所述的执行机构包括：控制力矩陀螺群、主动指向超静平台作动器；所述敏感器包括：安装在星体的陀螺、安装在载荷的星敏感器、安装在载荷的测微敏感器、安装在载荷的主动指向超静平台作动器涡流；星体用于支撑主动指向超静平台和载荷；主动指向超静平台安装于载荷和星体之间，由六个作动器构成；包括如下步骤：(1)建立三超平台动力学模型；(2)建立三超平台姿态控制器，包括星体一级姿态PID控制器、主动指向超静平台二级姿态PID控制器(3)对星体姿态敏捷机动控制；(4)对载荷姿态敏捷机动控制；(5)三超平台敏捷机动与快速稳定控制结束，进行后续的稳态控制。所述的三超平台动力学模型建立的方法为：建立主动指向超静平台位移约束模型为：Lp＝JpXp+JbXb式中，Jp为载荷质心雅克比矩阵，Xp＝[rp，θp]，rp为载荷平动位移，θp为载荷姿态；Jb为星体质心雅克比矩阵，Xb＝[rb，θb]，rb为星体平动位移，θb为星体姿态；建立主动指向超静平台力约束模型为：式中，Fp为载荷受到的主被动广义力，fpp为载荷受到的主被动合力，τpp为载荷受到的主被动合力矩；fL为主动指向超静平台输出的主被动合力，计算如下：式中：fLa为主动指向超静平台输出的主动力，由主动指向超静平台二级姿态PID控制器计算得到；fLp为主动指向超静平台输出的被动力；Kp0＝diag(kp1,…,kp6)，kp1,…,kp6为主动指向超静平台六个作动器的刚度系数；Cp0＝diag(cp1,…,cp6)，cp1,…,cp6为主动指向超静平台六个作动器的阻尼系数；在分别考虑星体广义位移Xp，载荷广义位移Xb以及挠性附件的振动位移ηb、ηp时，定义整个三超平台系统状态量x为建立三超平台动力学模型为：其中，Iηp＝I(mM)×(mM),Iηb＝I(nN)×(nN)为单位阵；M为载荷的挠性附件个数，m为载荷每个挠性附件的模态阶数；N为星体的挠性附件个数，n为星体每个挠性附件的模态阶数；式中，udp为载荷扰动力/力矩，udb为星体扰动力/力矩，uc为星体控制力/力矩，Fa为主动指向超静平台输出的主动力；Mp＝diag(mp,mp,mp,Ipx,Ipy,Ipz)，mp为载荷质量，Ip＝diag(Ipx,Ipy,Ipz)分别为载荷x轴、y轴、z轴的惯量在载荷质心本体系下的表达；Mb＝diag(mb,mb,mb,Ibx,Iby,Ibz)，mb为星体质量，Ib＝diag(Ibx,Iby,Ibz)分别为星体x轴、y轴、z轴的惯量在星体质心本体系下的表达；Ptr为载荷挠性附件耦合阵；Btr为星体挠性附件耦合阵；所述的三超平台姿态控制器，包括星体一级姿态PID控制器、主动指向超静平台二级姿态PID控制器，具体为：星体一级姿态PID控制器为：式中，Isat为整星惯量在整星质心坐标系表达。ksatp、ksati、ksatd为括星体一级姿态PID控制器参数。Δθbeer、Δωbeer分别为星体姿态控制误差和角速度控制误差；主动指向超静平台二级姿态PID控制器为：其中，Ip为载荷相对于整星质心的惯量在整星质心坐标系表达；kpp、kpi、kpd为主动指向超静平台二级姿态PID控制器参数；Δθpeer、Δωpeer分别为载荷姿态控制误差和角速度控制误差。所述步骤(3)对星体姿态敏捷机动控制的具体方法为：(3.1)获取三超平台姿态敏捷机动最大角加速度amax、最大角速度ωmax，敏捷机动角θ，采用正弦路径规划方法对敏捷机动角θ进行规划，计算姿态机动的匀加或减速段时长ta，匀速段时长tc以及总机动时间tm；(3.2)设置初始时刻t＝0时三超平台开始姿态敏捷机动；(3.3)采用t+Δt代替t，采用正弦路径规划方法计算三超平台的目标姿态θbr、目标角速度ωbr、目标角加速度abr；其中Δt为星体姿态控制周期；(3.4)采用星体一级姿态PID控制器计算星体姿态控制量，实现三超平台Δt时间内的敏捷机动控制；(3.5)判断机动时间t>tm，若t≤tm，则返回步骤(3.3)；若t>tm，则进行步骤(4)。所述步骤(4)对载荷姿态敏捷机动控制的具体方法为：(4.1)计算载荷当前姿态与目标姿态的偏差角Δθp，设置快速稳定时间tfmax，载荷平滑过渡最大角加速度amax、平滑过渡最大角速度ωmax，采用五次多项式对机动角Δθp进行规划，计算五次多项式路径规划系数a0,a1,….,a5以及载荷平滑过渡总时间tf；(4.2)采用t+Δt1代替t，利用步骤(4.1)得到的五次多项式路径规划系数a0,a1,….,a5，进行载荷偏差角Δθp的路径规划，计算载荷的目标姿态θpr、目标角速度ωpr、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，所述三超平台包括星体、载荷、敏感器、执行机构；所述的执行机构包括：控制力矩陀螺群、主动指向超静平台作动器；所述敏感器包括：安装在星体的陀螺、安装在载荷的星敏感器、安装在载荷的测微敏感器、安装在载荷的主动指向超静平台作动器涡流；星体用于支撑主动指向超静平台和载荷；主动指向超静平台安装于载荷和星体之间，由六个作动器构成；其特征在于包括如下步骤：(1)建立三超平台动力学模型；(2)建立三超平台姿态控制器，包括星体一级姿态PID控制器、主动指向超静平台二级姿态PID控制器(3)对星体姿态敏捷机动控制；(4)对载荷姿态敏捷机动控制；(5)三超平台敏捷机动与快速稳定控制结束，进行后续的稳态控制。

【技术特征摘要】
1.一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，所述三超平台包括星体、载荷、敏感器、执行机构；所述的执行机构包括：控制力矩陀螺群、主动指向超静平台作动器；所述敏感器包括：安装在星体的陀螺、安装在载荷的星敏感器、安装在载荷的测微敏感器、安装在载荷的主动指向超静平台作动器涡流；星体用于支撑主动指向超静平台和载荷；主动指向超静平台安装于载荷和星体之间，由六个作动器构成；其特征在于包括如下步骤：(1)建立三超平台动力学模型；(2)建立三超平台姿态控制器，包括星体一级姿态PID控制器、主动指向超静平台二级姿态PID控制器(3)对星体姿态敏捷机动控制；(4)对载荷姿态敏捷机动控制；(5)三超平台敏捷机动与快速稳定控制结束，进行后续的稳态控制。2.根据权利要求1所述的一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，其特征在于：所述的三超平台动力学模型建立的方法为：建立主动指向超静平台位移约束模型为：Lp＝JpXp+JbXb式中，Jp为载荷质心雅克比矩阵，Xp＝[rp，θp]，rp为载荷平动位移，θp为载荷姿态；Jb为星体质心雅克比矩阵，Xb＝[rb，θb]，rb为星体平动位移，θb为星体姿态；建立主动指向超静平台力约束模型为：式中，Fp为载荷受到的主被动广义力，fpp为载荷受到的主被动合力，τpp为载荷受到的主被动合力矩；fL为主动指向超静平台输出的主被动合力，计算如下：式中：fLa为主动指向超静平台输出的主动力，由主动指向超静平台二级姿态PID控制器计算得到；fLp为主动指向超静平台输出的被动力；Kp0＝diag(kp1,…,kp6)，kp1,…,kp6为主动指向超静平台六个作动器的刚度系数；Cp0＝diag(cp1,…,cp6)，cp1,…,cp6为主动指向超静平台六个作动器的阻尼系数；在分别考虑星体广义位移Xp，载荷广义位移Xb以及挠性附件的振动位移ηb、ηp时，定义整个三超平台系统状态量x为建立三超平台动力学模型为：其中，Iηp＝I(mM)×(mM),Iηb＝I(nN)×(nN)为单位阵；M为载荷的挠性附件个数，m为载荷每个挠性附件的模态阶数；N为星体的挠性附件个数，n为星体每个挠性附件的模态阶数；式中，udp为载荷扰动力/力矩，udb为星体扰动力/力矩，uc为星体控制力/力矩，Fa为主动指向超静平台输出的主动力；Mp＝diag(mp,mp,mp,Ipx,Ipy,Ipz)，mp为载荷质量，Ip＝diag(Ipx,Ipy,Ipz)分别为载荷x轴、y轴、z轴的惯量在载荷质心本体系下的表达；Mb＝diag(mb,mb,mb,Ibx,Iby,Ibz)，mb为星体质量，Ib＝diag(Ibx,Iby,Ibz)分别为星体x轴、y轴、z轴的惯量在星体质心本体系下的表达；Ptr为载荷挠性附件耦合阵；Btr为星体挠性附件耦合阵。3.根据权利要求1所述的一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，其特征在于：所述的三超平台姿态控制器，包括星体一级姿态PID控制器、主动指向超静平台二级姿态PID控制器，具体为：星体一级姿态PID控制器为：式中，Isat为整星惯量在整星质心坐标系表达。ksatp、ksati、ksatd为括星体一级姿态PID控制器参数。Δθbeer、Δωbeer分别为星体姿态控制误差和角速度控制误差；主动指向超静平台二级姿态PID控制器为：其中，Ip为载荷相对于整星质心的惯量在整星质心坐标系表达；kpp、kpi、kpd为主动指向超静平台二级姿态PID控制器参数；Δθpeer、Δωpeer分别为载荷姿态控制误差和角速度控制误差。4.根据权利要求1所述的一种三超平台敏捷机动与快速稳定控制方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：关新，汤亮，王有懿，张科备，郝仁剑，田科丰，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11