非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法及控制方法技术

一种非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法及控制方法，首先，建立位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程及负刚度力加速度函数；随后，给出建造位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件；在不满足基本动力学协调条件的情况下，从位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化得到一个切换动力学方程；通过建立该切换动力学方程的Hamilton函数，导出切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，形象地给出了无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件；最后，在位移模式单自由度无拖曳控制满足让步动力学协调条件的情况下，给出避免指令推力为最大推力的检验质量初始状态及指令状态设置方法。状态设置方法。状态设置方法。

【技术实现步骤摘要】
非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法及控制方法


[0001]本专利技术涉及一种非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法及控制方法，属于卫星无拖曳控制


技术介绍

[0002]无拖曳控制技术是重力场测量卫星、引力波探测卫星及等效原理检验卫星控制
的关键技术。按控制目标的不同，无拖曳控制区分为加速度模式无拖曳控制与位移模式无拖曳控制两类。
[0003]位移模式无拖曳控制要求通过推力连续可调的推力器，将星上惯性传感器中的检验质量控制在其电极笼内标称位置附近很小的变化范围之内。检验质量相对于该标称位置的位移是其受到静电偏压负刚度力与卫星受到大气阻力、太阳光压力及推力器推力共同作用的结果。检验质量的相对位移一般在电极笼内通过机械限位装置被限位于指定的最大正、负位移之间。
[0004]在某无拖曳试验卫星控制方案研究中发现，在认定负刚度系数为常数的情形下，负刚度系数、机械限位及推力最大值三者之间应当满足指定的关系式，并称之为基本动力学协调条件；若该条件得不到满足，则位移模式无拖曳控制的初始状态必须落在指定的棱形区，并称之为让步动力学协调条件。
[0005]在此基础上，进一步注意到，一般情形下，惯性传感器中检验质量在静电偏置电压及自引力等作用下所产生的负刚度力加速度总是随检验质量位移非线性变化，且该加速度的零位与电极笼中心一般并不重合。因此，现有的位移模式无拖曳控制动力学协调条件及其导出方法，仍需改进，以便适用于工程中更一般的情形。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了在不满足位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件确定问题。
[0007]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0008]一种非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法及控制方法，首先，建立位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程及负刚度力加速度函数；随后，给出建造位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件，即最大推力加速度、正机械限位处的负刚度力加速度、负机械限位处的负刚度力加速度与非保守外干扰力加速度四者之间需要满足一个约束关系式；在不满足基本动力学协调条件的情况下，从位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化得到一个切换动力学方程；通过建立该切换动力学方程的Hamilton函数，导出切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，形象地给出了无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件；最后，在位移模式单自由度无拖曳控制满足让步动力学协调条件的情况下，给出避免指令推力为最大推力的检验质量初始状态及指令状态设置方法。
[0009]一种位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件确定方法，包括：
[0010]将位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化为一个切换动力学方程；
[0011]通过该切换动力学方程的Hamilton函数，获得切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，即确定无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件。
[0012]优选的，基于切换动力学方程，通过建立Hamilton函数及Hamilton函数极值点等值线方程，导出切换动力学方程的全局动力学相轨迹解析表达式，其中包括分界线相轨迹的解析表达式。
[0013]一种非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法，包括：
[0014]确定位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程及负刚度力加速度函数；
[0015]利用负刚度力加速度函数，确定位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件；
[0016]在不满足位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件的情况下，将位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化为一个切换动力学方程；通过该切换动力学方程的Hamilton函数，获得切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，即确定无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件。
[0017]优选的，基于切换动力学方程，通过建立Hamilton函数及Hamilton函数极值点等值线方程，导出切换动力学方程的全局动力学相轨迹解析表达式，其中包括分界线相轨迹的解析表达式。
[0018]优选的，确定位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件具体为：
[0019]正机械限位处负刚度力加速度绝对值与负机械限位处负刚度力加速度绝对值中较大者，加上非保守外干扰力加速度绝对值最大值之和，小于推力器最大推力除以卫星质量。
[0020]优选的，确定位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件具体为：
[0021]正机械限位处负刚度力加速度绝对值与负机械限位处负刚度力加速度绝对值中较大者，加上非保守外干扰力加速度绝对值最大值之和，远小于推力器最大推力除以卫星质量。
[0022]一种位移模式无拖曳控制方法，利用上述确定无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制基本动力学协调条件及让步动力学协调条件，然后确定避免指令推力为最大推力的检验质量初始状态及指令状态设置原则。
[0023]优选的，位移模式单自由度无拖曳控制系统检验质量初始状态及指令状态应当满足的让步动力学协调条件，对应为切换动力学方程在相平面中所有极限环所占据的区域。
[0024]优选的，所有极限环所占据的区域即相平面中发散相轨迹与极限环相轨迹的分界线所围成的区域。
[0025]优选的，发散相轨迹与极限环相轨迹的分界线通过Hamilton函数极值点等值线方程求解。
[0026]优选的，避免指令推力为最大推力的检验质量初始状态及指令状态设置原则为：检验质量初始状态及指令状态应尽量靠近负刚度力零位。
[0027]本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：
[0028](1)本专利技术方法给出了不考虑姿态影响的位移模式单自由度无拖曳控制非线性动力学方程；在获得退化切换动力学方程的基础上，建立了负刚度力加速度仅由静电偏压力加速度提供情形下切换动力学方程的Hamilton函数的最终解析表达式；确定了无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件，为惯性传感器中检验质量在静电偏置电压及自引力等作用下所产生的负刚度力加速度随检验质量位移非线性变化、加速度的零位与电极笼中心不重合的情形，提供了有效解决技术问题的手段。
[0029](2)本专利技术方法中退化的切换动力学方程考虑了静电负刚度力加速度及推力加速度两类扰动，具有更为广泛的适用性。
[0030](3)本专利技术方法给出了扰动函数为非线性情形下启动位移无拖曳控制时检验质量状态初值应满足的基本动力学协调条件，以及扰动函数为非线性情形下启动位移无拖曳控制时检验质量状态初值应满足的让步动力学协调条件，为实现位移模式无拖曳控制提供了基础。
[0031](4)本专利技术方法给出了扰动函数为非线性情形下避免位移无拖曳控制指令推力为最大推力的检验质量初始状态及指令状态设置原则，能够实现位移模式无拖曳控制，且避免了指令推力为最大推力。
附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件确定方法，其特征在于，包括：将位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化为一个切换动力学方程；通过该切换动力学方程的Hamilton函数，获得切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，即确定无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件。2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，基于切换动力学方程，通过建立Hamilton函数及Hamilton函数极值点等值线方程，导出切换动力学方程的全局动力学相轨迹解析表达式，其中包括分界线相轨迹的解析表达式。3.一种非线性扰动下无拖曳动力学协调条件确定方法，其特征在于，包括：确定位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程及负刚度力加速度函数；利用负刚度力加速度函数，确定位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件；在不满足位移模式无拖曳控制系统的基本动力学协调条件的情况下，将位移模式单自由度无拖曳控制动力学方程退化为一个切换动力学方程；通过该切换动力学方程的Hamilton函数，获得切换动力学方程的全局动力学分界线相轨迹的解析表达式，即确定无拖曳推力器最大推力不足时的位移模式无拖曳控制让步动力学协调条件。4.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，基于切换动力学方程，通过建立Hamilton函数及Hamilton函数极值点等值线方程，导出切换动力学方程的全局动力学相轨迹解析表达式，其中包括分界线相轨迹的解析表达式。5.根据权利要求3所述的确定方法，其特征在于，确定位移模式无拖曳控制系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：苟兴宇，邹奎，王丽娇，刘其睿，蒋庆华，李明群，王绍凯，陶佳伟，李声涛，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：