一种未知谐波干扰下的柔性航天器稳定控制方法

本发明涉及航天器控制系统，具体为一种未知谐波干扰下的柔性航天器稳定控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着空间任务目标的多样化，对航天器的在轨工作寿命和任务精度提出了更高的要求。在这种情况下，为了提高能源效率和节省发射成本，航天器采用了轻质柔性材料。然而，柔性结构的增加产生了弹性振动，连续振动影响了柔性航天器系统姿态控制的精度。航天器的惯性参数通常不能精确获知，存在动力学模型参数不确定性。此外，空间环境复杂，航天器也会会受到太阳光压力矩、重力梯度力矩、地磁力矩和气动力矩等的影响，这些干扰力矩同样具有不确定性。所有这些不确定性都会影响航天器姿态控制系统的性能。尤其是在航天器运行时，谐波干扰会降低或破坏航天器上电子设备的工作性能，导致系统失稳。

2、针对柔性航天器姿态稳定控制的常用方法包括滑模控制、h。。控制、基于干扰观测器的控制和反馈控制等。其中，基于干扰观测器的控制因其优越的性能和结构简单而被广泛应用于航天器系统中，并已扩展到多重干扰系统的复合分层抗干扰控制工作。然而，在实际应用中，容易受未知信息的干扰，增大误差，造成柔性航天器运行不稳定。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种未知谐波干扰下的柔性航天器稳定控制方法。

2、本发明技术方案如下：

3、一种未知谐波干扰下的柔性航天器稳定控制方法，包括如下操作：

4、s1、基于柔性航天器的运动学模型和动力学模型，以及未知谐波干扰，构建柔性航天器模糊动态模型；

5、s2、所述柔性航天器模糊动态模型中的未知谐波干扰经目标转化处理，得到未知谐波干扰表达式；预设自适应干扰观测器，用于估计所述未知谐波干扰表达式中的未知因子，得到未知因子估计；基于所述未知因子估计，得到未知谐波干扰误差动力学模型；

6、预设柔性振动观测器，用于估计动力学模型中的柔性模态，得到柔性模态估计；基于所述柔性模态估计，得到柔性模态误差动力学模型；

7、s3、所述未知谐波干扰误差动力学模型和柔性模态误差动力学模型，与基于模糊控制器和自适应律得到的事件触发机制结合，构建李雅普诺夫函数，求导得到李雅普诺夫函数导数；控制所述李雅普诺夫函数导数的范围不超过阈值，实现对柔性航天器的稳定控制。

8、所述s1中未知谐波干扰可通过如下公式得到：

9、

10、dj(t)为所述未知谐波干扰d(t)的分量，d(t)＝[dj(t)，j＝1，2，3]t，为外生系统状态变量υj(t)的导数，wj为第一可测参数，τj为谐波干扰频率，vj为可测常数参数，vj＝[1 0]。

11、所述s2中目标转化处理的操作具体为：预设辅助滤波器，所述辅助滤波器用于将未知谐波干扰转化为带有未知因子的表达式，得到所述未知谐波干扰表达式；所述辅助滤波器可通过如下公式得到：

12、

13、ξj(t)为滤波器，为滤波器导数，mj为滤波矩阵，nj为滤波控制矩阵，dj(t)为所述未知谐波干扰d(t)的分量，d(t)＝[dj(t)，j＝1，2，3]t；

14、所述未知谐波干扰表达式为：

15、

16、ξj1(t)为滤波器第一分量，θj1为所述未知因子，ξj2(t)为滤波器第二分量，mj2为滤波矩阵第二参量，为不确定参数转置，δdj(t)为衰减向量。

17、所述s2中自适应干扰观测器可通过如下公式得到：

18、

19、

20、

21、

22、为所述未知因子估计，为干扰观测器第一辅助变量，εj(t)为干扰观测器第二辅助变量，为所述干扰观测器第一辅助变量导数，为干扰观测器设计参数，mj1为滤波矩阵第一参量，ξj1(t)为滤波器第一分量，为滤波器第二分量导数，θj1为所述未知因子，为不确定参数转置，δdj(t)为衰减向量，t为时间。

23、所述s2中未知谐波干扰误差动力学模型可通过如下公式得到：

24、

25、为未知谐波干扰误差导数，为干扰观测器设计参数，ξj1(t)为滤波器第一分量，eθj(t)为所述未知谐波干扰误差，为不确定参数转置，δdj(t)为衰减向量，t为时间。

26、所述s2中柔性模态误差动力学模型可通过如下公式得到：

27、

28、为柔性模态误差导数，eψ(t)为所述柔性模态误差，eψ(t)＝[eη(t)，eψ(t)]t，eη(t)为所述柔性模态误差第一分量，η(t)为所述柔性模态，为所述柔性模态估计，eψ(t)为柔性模态误差第二分量，ψ(t)为辅助状态，为辅助状态估计，j2为模态矩阵，t为时间。

29、所述s3中模糊控制器可通过如下公式得到：

30、

31、uf(t)为模糊控制律，为总控制增益，x(t)为状态变量，ua(t)为自适应补偿项，为未知谐波干扰估计，为模糊辅助项估计；

32、所述自适应补偿项ua(t)可通过如下公式得到：

33、

34、是总干扰上界估计，bt为系统控制矩阵转置，p1为正定矩阵第一分量，xt(t)为状态变量转置；

35、所述模糊辅助项估计可通过如下公式得到：

36、

37、zi(x(t))是系统隶属度函数，s()为斜对称矩阵，xωi(t)为辅助角速度状态变量，δt为耦合矩阵转置，为辅助状态估计，c0为阻尼矩阵，k0为刚度矩阵，为所述柔性模态估计，δ为耦合矩阵，ω(t)为角速度，t为时间。

38、所述s3中自适应律可通过如下公式得到：

39、

40、为总干扰上界估计导数，β为自适应律附加参数，xt(t)为状态变量转置，p1为正定矩阵第一分量，b为系统控制矩阵，κ为修正参数，为总干扰上界估计，α(t)为自适应律可积函数，t为时间。

41、所述s3中动态事件触发机制可通过如下公式得到：

42、u(t)＝[u1(t)，u2(t)，u3(t)]t，

43、w(t)＝[w1(t)，w2(t)，w3(t)]t，

44、w(t)＝uf(t)，

45、

46、

47、

48、u(t)为控制输入，w(t)为事件触发控制信号，uf(t)为模糊控制律，xt(t)为状态变量转置，p1为正定矩阵第一分量，b为系统控制矩阵，e(t)为测量误差，c1为触发机制第一参数，ρ(t)为内部动态变量，∈为缩放参数，q为辅助正定矩阵，σ(t)为保底函数，内部动态变量导数，c2为触发机制第二参数，t为时间。

49、所述s3中李雅普诺夫函数可通过如下公式得到：

50、

51、v(t)为李雅普诺夫函数，为总状态转置，p为总正定矩阵，φ1(t)为总状态，为未知谐波干扰误差第一分量转置，p3为正定矩阵第三分量，eθ1为未知谐波干扰误差第一分量，为未知谐波干扰误差第二分量转置，p4为正定矩阵第四分量，eθ2为未知谐波干扰误差第二分量，为未知谐波干扰误差第三分量转置，p5为正定矩阵第五分量，eθ3为未知谐波干扰误差第三分量，δdt为总衰减向量转置，p6为正定矩阵第六分量，δd(t)为总衰减向量，β为自适应律附加参数，为自适应误差，ρ(t)为内部动态变量，t为时间。

52、本发明的有益效果在于：

53、本发明提供的一种未知谐波干扰下的柔性航天器稳定控制方法，利用外生系统来描述未知谐波干扰，并利用辅助滤波器将未知谐波干扰转化为具有未知因子的表达式，接着构建自适应干扰观测器用于估计未知因子，得到未知谐波干扰误差动力学模型，并构建柔性振动观测器用于估计柔性模态，得到柔性模态误差动力学模型，并与动态事件触发机制结合，构建李雅普诺夫函数，控制李雅普诺夫函数导数小于阈值，保证了所有闭环信号的有界性，系统的状态和柔性振动观测器误差渐近收敛到平衡点，保证柔性航天器的稳定运行。