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(1) 挠性振动抑制的函数观测器方法
挠性航天器通常配备大型太阳能帆板、可展开天线等柔性附件,这些结构在姿态机动过程中受到控制力矩激励,产生持续振动,形成刚体姿态运动与挠性振动的强耦合动力学特性。挠性振动不仅降低了指向精度,还可能通过耦合效应影响姿态控制系统的稳定性。传统挠性航天器控制方法将挠性模态视为外部干扰,通过增加控制带宽抑制振动,但高增益控制易激发高阶未建模模态,引发溢出问题。本研究从动力学建模入手,建立了包含刚体姿态运动与挠性模态的耦合动力学方程,采用假设模态法描述挠性附件的弹性变形,保留前若干阶主导模态以平衡模型精度与复杂度。针对小角度姿态机动场景,通过线性化处理得到姿态控制系统的状态空间模型,其中挠性模态作为系统状态的一部分参与控制设计。
提出了基于函数观测器的主动振动抑制方法,该观测器的核心思想是仅估计控制所需的状态函数组合,而非全部状态变量,从而降低观测器阶数与实现复杂度。通过构造包含姿态角、角速度及挠性模态的特定线性组合作为待估计函数,设计降阶函数观测器,利用姿态测量信息重构该函数的估计值。观测器增益矩阵通过极点配置方法设计,确保估计误差的快速收敛。在控制器设计层面,采用参数化设计方法,将控制器参数表示为待求解的矩阵变量,通过求解线性矩阵不等式获得满足闭环性能指标的控制增益。该方法将观测器与控制器设计统一在优化框架内,实现了观测性能与控制性能的协同优化。仿真结果表明,函数观测器方法使挠性模态的衰减时间缩短了四成,姿态稳定精度提升至零点零二度,优于传统状态反馈控制方法。
针对大角度姿态机动场景,航天器姿态动力学呈现显著的非线性特性,线性化方法不再适用。本研究引入全驱系统理论框架,将姿态动力学方程转化为二阶全驱拟线性形式,避免了传统方法将二阶系统转化为一阶系统导致的维数倍增问题。设计非线性干扰观测器估计包含外部干扰力矩与挠性振动耦合项的集总扰动,观测器基于滑模理论构造,具备对模型不确定性与测量噪声的鲁棒性。将观测得到的扰动估计值前馈补偿至控制输入,抵消扰动对姿态的影响。控制器采用参数化方法设计,通过配置闭环极点实现期望的动态响应特性。大角度机动仿真显示,基于全驱系统理论的控制方法使机动时间缩短了三成,挠性振动峰值降低了五成,验证了方法的有效性。
(2) 多源干扰下的姿态跟踪预测控制
航天器在轨运行期间,同时受到重力梯度力矩、太阳光压力矩、磁力矩等空间环境干扰,以及挠性振动、燃料晃动等内部扰动,多源干扰的叠加严重影响姿态跟踪控制精度。传统干扰观测器多基于渐近稳定理论设计,估计误差收敛速度较慢,在快速机动工况下难以满足实时补偿需求。本研究提出了固定时间收敛的非线性干扰观测器,通过引入分数幂次项构造新型滑模面,使观测误差在固定时间内收敛至零,且收敛时间上界可预先设定,不依赖初始条件。该特性确保了干扰估计的快速性与确定性,为后续控制补偿提供了可靠的扰动信息。观测器设计过程中,采用齐次性理论分析收敛时间,通过调整齐次度参数实现收敛速度与鲁棒性的平衡。
针对姿态跟踪任务中的传感器噪声干扰问题,传统滑模控制的高频抖振会放大测量噪声,恶化控制性能。本研究提出了基于滑模预测控制的姿态跟踪方法,将滑模控制的强鲁棒性与模型预测控制的优化能力相结合。构建增量式二阶全驱滑模预测模型,在预测时域内滚动优化控制序列,使预测轨迹沿滑模面运动,既保证了对干扰的不变性,又通过优化过程平滑了控制输入,削弱了抖振现象。针对姿态跟踪的性能约束需求,将预设性能指标转化为优化目标函数中的软约束,通过惩罚超出性能包络的预测误差,确保跟踪误差轨迹严格满足预设的瞬态与稳态性能要求。相比传统预设性能控制需要进行误差变换的复杂设计,本方法直接在优化框架内处理约束,降低了设计难度。仿真验证表明,滑模预测控制方法使姿态跟踪误差保持在预设包络内,超调量控制在百分之五以内,稳态误差小于零点零一度,控制输入抖振幅值降低了七成。
(3) 执行器故障的区间观测容错控制
航天器姿态控制执行机构包括反作用飞轮、磁力矩器、推力器等装置,长期在轨运行面临部件老化、摩擦增大、输出饱和等故障风险。执行器故障导致实际输出力矩偏离指令值,若不及时检测与补偿,将引发姿态失控。传统故障诊断方法基于残差生成与阈值判决,但阈值设定依赖经验,难以平衡误报率与漏报率。本研究提出了基于区间观测器的故障检测方法,利用区间观测器生成系统状态的上下界估计,将状态真值约束在估计区间内。当执行器发生故障时,系统状态偏离正常范围,实际测量值超出区间边界,通过监测测量值与区间边界的关系实现故障检测,区间边界形成的天然阈值无需人工设定,提高了检测的客观性。区间观测器设计基于单调系统理论,通过坐标变换与增益设计确保观测误差动力学的单调性,保证区间估计的收敛性与有效性。
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