技术领域本发明涉及卫星姿态控制，特别涉及一种针对挠性微小卫星姿态控制的滑膜变控制方法。
背景技术：
随着空间操作任务需求多元化的发展，需要解决面向逼近与抓捕的微小空间操控技术飞行验证系统高精度姿轨协同控制技术中关于柔性平台的姿轨控制问题。卫星平台上由于配置有柔性和可变结构部件，使得微纳卫星的动力学特性不同于传统可视为刚体的大卫星，这给高精度姿轨协同控制带来了难度，因此，有必要在动力学分析与建模的基础上，对此项技术开展研究。
技术实现要素：
本发明解决的问题是微小卫星上挠性部件对卫星本体姿态干扰，传统控制方法难以保证姿控鲁棒性；为解决所述问题，本发明提供一种针对挠性微小卫星姿态控制的滑膜变控制方法。为达到上述发明内容，本发明是通过以下的技术方案实现的，一种针对挠性微小卫星姿态控制的滑膜变控制方法：包括如下步骤：1）Kane方法建立完整的挠性动力学方程；2）挠性动力学方程的分析简化；3）根据简化后的挠性动力学方程建立状态方程；4）以状态方程为基础，设计挠性姿态控制的滑膜变控制率。进一步，所述的步骤1）中，以Kane方法建立完整的挠性动力学方程。首先选取广义速度；其次计算广义速度对应的广义力；再次结合微小卫星系统中各体的加速度表达式，按照Kane方程建模的一般过程，可得到系统的动力学方程。所述的步骤2）中，对挠性动力学方程进行分析简化。首先进行动力学方程组的删减，将影响小或有约束的方程删减掉；其次结合实际力学环境，给出广义力的具体形式；再次对方程中的耦合项进行分析简化。所述的步骤3）中，根据简化后的挠性动力学方程建立状态方程。取关键物理量作为状态量，取主动力矩作为控制量，建立状态方程。所述的步骤4）中，以状态方程为基础，设计挠性姿态控制的滑膜变控制率。滑膜变控制率的设计关键是选取合适的趋近率和切换函数。本发明的优点包括：1）从Kane方法建立的完整挠性动力学方程出发，通过合理分析简化，保证了用来设计控制率的状态方程的正确性。2）对柔性和可变结构部件引起的微小卫星系统质量结构变化，本发明中的控制率具有鲁棒性。附图说明图1是一种挠性微小卫星结构和各矢径关系示意图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。为了对本发明的描述方便，给出典型的挠性微小卫星系统，包括中心平台和机械臂系统、柔性太阳帆板所构成，如图1所示。本发明适用于该挠性微小卫星系统，也适用于其他的挠性微小卫星系统。为了公式推导方便，对微小卫星各子结构进行梳理，如图1所示，定义如下各基本位置矢量。广义速度的选取如表所示。其中，为中心体体坐标系相对惯性系的角速度矢量，为柔性太阳帆板体坐标系相对于星体坐标系的角速度矢量；为机械臂系统中的第j节机械臂相对其内接体体坐标系的角速度矢量；为描述柔性帆板弹性位移的广义坐标列阵。确定对应各广义速度的广义力形式之前，首先确定模型中所考虑的系统作用力/力矩。在模型中所考虑的作用力/力矩有：作用于中心体上的力（控制力或干扰力），记为；作用于中心体上的力矩（控制力矩或干扰力矩），记为；作用于柔性太阳帆板与卫星本体铰接处的力矩，记为作用于机械臂系统的第j节机械臂关节处的控制力矩，记为。各阶广义速度所对应的广义力为a.广义速度：对应的广义力为；b.广义速度：对应的广义力为；c.广义速度，对应的广义力为；d.广义速度：对应的广义力为；选取系统的广义速度和相应的广义力后，结合系统中各体的加速度表达式，按照Kane方程建模的一般过程，可得到系统的动力学方程如下：a.中心体的平动方程（对应于广义速度的动力学方程）b.中心体的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）c.机械臂系统中的第1节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）d.机械臂系统中的第2节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）e.机械臂系统中的第3节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）f.柔性太阳帆板的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）g.柔性太阳帆板的振动方程（对应于偏速度的动力学方程）通常，平台质心的线位移和线速度（平动项）对姿态影响很小，因此可以忽略平台质心的平动，而只考虑星体姿态的变化。表现在方程中，就是去掉关于星体质心位移的方程，在其它的方程中也忽略有关星体质心位移的影响。平台的柔性太阳帆板星体连接端无法驱动帆板转动，因此可将柔性太阳帆板的转动方程舍去，并忽略帆板转动对平台转动、帆板振动的影响，因此在其它方程中仍保留有关帆板转动的影响项，而在仿真中帆板的转角、角速度等信息则按照标称规律计算，而非由控制方程得到的数值解。在系统方程中。非线性耦合项包括平台本体角速度之间的耦合、平台本体角速度与太阳帆板弹性振动速度的耦合等等。挠性附件的弹性振动速度一般也可视为小量，平台本体在轨运行模式下角速度可视为小量。基于以上分析，非线性耦合力矩大部分可以作为高阶小量而忽略掉。考虑到微小卫星平台惯量较小，在平台转动方程中不再保留与这一项非线性耦合力矩，在其它方程中均舍去相关的高阶小量耦合项。经上述简化，系统方程则成为如下所示的微分方程组。中心体的转动方程柔性帆板的振动方程，取振动的前3阶机械臂系统中的第1节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）机械臂系统中的第2节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）机械臂系统中的第3节机械臂的转动方程（对应于偏速度的动力学方程）把简化后的5个动力学方程写作矩阵形式：则有：其中：，，，，，。选择切换函数为：需要对上式进行零极点配置。由可得滑模变控制率为：综上，本发明提出了一种针对挠性微小卫星姿态控制的滑膜变控制方法，解决了解决了微小卫星挠性过大时的姿态控制问题，避免引起挠性部件的激振，提高姿态控制稳定性，保障了变结构柔性太阳帆板等柔性部件在微小卫星上的使用。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。