一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，在未知非合作目标质量和瞬间冲击力下，设计能够在预设时间内的实现主动振动抑制控制器，实现对抓捕组合体振动的快速消除控制。本发明专利技术具有以下两点有益效果：在抓捕目标未知质量和未知状态情况下，实现了欠驱动振动系统的主动振动抑制控制；实现了在预设时间内，振动快速消除的控制，因此可以根据实际工程需要，在期望或者指定时间内对振动系统进行稳定控制，具有较强的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法
本专利技术属于航天器鲁棒控制
，涉及一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法。
技术介绍
随着在轨服务技术的不断发展，越来越注重空间操控的安全和可靠性。但是随着空间卫星和平台发射数量的增加，由于各类故障和燃料的消耗殆尽，失效的卫星数量也在逐渐增加，这给安全的空间操控带来巨大的挑战与威胁。因此，在轨利用机械臂、飞网等工具抓捕空间失效卫星成为应对这类威胁的一种可行方案，见文献：WingoD.OrbitalRecovery'sResponsiveCommercialSpaceTugforLifeExtensionMissions[C]//Space2004ConferenceandExhibit.2013.和Flores-AbadA,MaO,PhamK,etal.Areviewofspaceroboticstechnologiesforon-orbitservicing[J].ProgressinAerospaceSciences,2014,68(8):1-26.。在空间抓捕过程中，服务星与目标体之间存在不匹配的速度(相对速度)，会给服务星抓捕机构带来巨大的瞬间冲击力，导致服务星的机械机构受到强烈振动而损坏。为了抑制抓捕过程中的振动，主要有两种方法，一种是通过设计振动隔离器被动抑制振动，另一种是通过设计控制器主动抑制振动，见文献：ZhuB,ZhangZ,SuoM,etal.Sampled-datamixedH∞andpassivecontrolforattitudestabilizationandvibrationsuppressionofflexiblespacecraftswithinputdelay[J].JournalofVibrationandControl,2018:1077546318754681.WangZ,XuM,JiaY,etal.Vibrationsuppression-basedattitudecontrolforflexiblespacecraft[J].AerospaceScienceandTechnology,2017,70:487-496.AridoganU,BasdoganI.Areviewofactivevibrationandnoisesuppressionofplate-likestructureswithpiezoelectrictransducers[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures,2015,26(12):1455-1476.通常，通过设计隔离器的被动抑制方法可以在一定程度上消除小范围内的振动，对于大范围的冲击振动，需要设计控制器来进一步加速抑制振动。针对空间抓捕系统，有效的主动抑制方法还很少出现，这主要有两方面原因：首先，空间抓捕系统是欠驱动系统，常规的全驱动控制方法难以直接扩展到抓捕系统中；其次，空间目标具有非合作性，其质量难以快速有效的估计，从而导致抓捕振动系统的非线性项是未知的，这给主动振动抑制控制系统的设计带来难度，见文献：DaiH,JingX,WangY,etal.Post-capturevibrationsuppressionofspacecraftviaabio-inspiredisolationsystem[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2018,105:214-240。因此，本专利技术主要针对以上问题，提出一种针对欠驱动抓捕系统的主动振动抑制方法，来快速消除抓捕过程中由于不匹配速度带来的振动影响。
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航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，针对服务星抓捕空间非合作目标的欠驱动振动系统，在未知非合作目标质量和瞬间冲击力下，设计能够在预设时间内的实现主动振动抑制控制器，实现对欠驱动抓捕系统振动的快速消除控制。技术方案一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立抓捕后形成的振动系统动力学模型：其中：x1,x2,x3,x4分别是目标、服务星的位置和速度，M1,M2分别为目标、服务星的质量，Ks,N,θ0为隔离器弹簧系数、隔离器的个数和隔离器的安装角度，fc,fd为隔离器的旋转摩擦系数和阻尼系数，L是隔离器的边长，Nc为隔离器的关节个数，F,u分别是瞬间冲击力和主动控制输入，y是系统输出，u是控制力；步骤2：1、预设时间性能设计：输出误差为Δ1＝y-yr则预设时间性能设计为：-η(t)＜Δ1＜η(t)其中：η(t)是期望性能边界函数，t是时间，yr是期望输出指令；所述其中：是两个常量，η0,η∞,T1分别为η(t)的初始值和最终值以及时间常数；2、状态观测器设计：其中：l1,l2,l3,l4为正的设计参数，为观测状态量；步骤3、欠驱动控制器设计：第一个虚拟控制器和自适应律为：其中：α1,分别为第一个虚拟控制器和自适应参数，β,z1,ε1分别为中间定义变量，k1,κ0,γ1分别为正的设计参数；第二、三个虚拟控制器和自适应律形式为：δi-1＝si-1-αi-1,其中：αi为第二、三个虚拟控制器，zi为中间定义变量，si-1,δi-1分别为滤波器输出和滤波误差，ki,Γi-1,σi-1,ι0是正的设计参数，为滤波器自适应参数；i＝2,3；系统实际控制输入为：其中：s3,z4为滤波器输出和中间定义变量，k4,Γ3,σ3,ι0为正的设计参数。有益效果本专利技术提出的一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，在未知非合作目标质量和瞬间冲击力下，设计能够在预设时间内的实现主动振动抑制控制器，实现对抓捕组合体振动的快速消除控制。本专利技术具有以下两点有益效果：1、在抓捕目标未知质量和未知状态情况下，实现了欠驱动振动系统的主动振动抑制控制；2、实现了在预设时间内，振动快速消除的控制，因此可以根据实际工程需要，在期望或者指定时间内对振动系统进行稳定控制，具有较强的工程应用价值。附图说明图1-2为抓捕目标和服务星位置响应图；图1：目标体位置响应图图2：服务星位置响应图图3-4为抓捕目标和服务星速度响应图；图3：目标体速度响应图图4：服务星速度响应图图5：服务星控制输入图图6：自适应参数响应图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：针对抓捕欠驱动振动系统，具体的仿真参数如下：目标和服务星质量分别为M1＝2kg,M2＝200kg。隔离器弹簧系数、隔离器的个数和隔离器的安装角度分别为Ks＝1200,N＝2,为。隔离器的旋转摩擦系数和阻尼系数为fc＝0.2,fd＝0.1。隔离器的关节个数Nc＝7。瞬间冲击力是F＝200N。性能函数η1(t)的初始值和最终值以及时间常数分别为γ＝0.6,η0＝1,η∞＝0.1,T1＝15。观测器参数l1＝5,l2＝13,l3＝16,l4＝9。控制器参数k1＝k2＝k3＝4,k4＝1，滤波器参数Γ1＝Γ2＝Γ3＝1,σ1＝σ2＝0.02,σ3＝0.01,ι0＝0.01,初始状态x1＝0.3m,x3＝1m,x2＝0.1m/sec,x4＝0.4m/sec。控制方法步骤：步骤一：抓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立抓捕后形成的振动系统动力学模型：

【技术特征摘要】
1.一种航天器抓捕系统预设时间振动抑制控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立抓捕后形成的振动系统动力学模型：其中：x1,x2,x3,x4分别是目标、服务星的位置和速度，M1,M2分别为目标、服务星的质量，Ks,N,θ0为隔离器弹簧系数、隔离器的个数和隔离器的安装角度，fc,fd为隔离器的旋转摩擦系数和阻尼系数，L是隔离器的边长，Nc为隔离器的关节个数，F,u分别是瞬间冲击力和主动控制输入，y是系统输出，u是控制力；步骤2：1、预设时间性能设计：输出误差为Δ1＝y-yr则预设时间性能设计为：-η(t)＜Δ1＜η(t)其中：η(t)是期望性能边界函数，t是时间，yr是期望输出指令；所述其中：γ∈(0,1),是两个常量，η0,η∞,T1...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，魏才盛，马卫华，王明明，袁建平，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61