吉林大学学报(工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (9): 2676-2685.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20211295

• 通信与控制工程 • 上一篇    下一篇

基于Lyapunov理论的卫星大挠性太阳能帆板分布式自适应振动抑制控制方法

张刘(),曾庆铭,赵寰宇(),范国伟   

  1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130012
  • 收稿日期:2021-11-29 出版日期:2023-09-01 发布日期:2023-10-09
  • 通讯作者: 赵寰宇 E-mail:zhangliu@jlu.edu.cn;zhaohyjlu@jlu.edu.cn
  • 作者简介:张刘(1978-),男,教授,博士.研究方向:航天光学遥感系统设计,仿真及应用技术,星敏感器技术. E-mail:zhangliu@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(62073150);吉林省科技厅项目(20210101177JC)

Distributed adaptive vibration suppression control method of large solar panels for satellites based on Lyapunov theory

Liu ZHANG(),Qing-ming ZENG,Huan-yu ZHAO(),Guo-wei FAN   

  1. College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China
  • Received:2021-11-29 Online:2023-09-01 Published:2023-10-09
  • Contact: Huan-yu ZHAO E-mail:zhangliu@jlu.edu.cn;zhaohyjlu@jlu.edu.cn

摘要:

提出了一种分布式自适应振动抑制控制方法,有效抑制了卫星大挠性帆板在轨振动问题。考虑作动器和传感器的安装位置对控制效果的影响,通过分析邻接子模块之间振动和输出力的耦合影响,基于Lyapunov理论设计了完整的分布式自适应控制器。仿真结果表明,在外界持续干扰等情况下,本文设计的分布式控制系统与基于线性二次型调节器(LQR)的分布式控制方法相比抑振时间缩短了40%,与集中式控制方法相比抑振时间缩短了50%,得到了更良好的在轨抑振效果,对于卫星的稳定运行具有重要意义。

关键词: 分布式控制, 自适应控制, 大挠性航天器, 李雅普诺夫理论, 振动抑制

Abstract:

A distributed adaptive vibration suppression control method was investigated to effectively suppress the on-orbit vibration of large flexible satellite panels. Considering the influence of actuator and sensor installation position on the control effect, a complete distributed adaptive controller was designed based on Lyapunov theory by analyzing the coupling effect of vibration and output force between adjacent sub-modules. The simulation results show that the vibration suppression time of the proposed distributed control method is reduced by 40% compared with the distributed control method based on LQR control method and 50% compared with the centralized control method under the condition of continuous external interference. Furthermore, the proposed control method has an improved on-orbit vibration suppression effect and is of great significance for the stable operation of the satellite.

Key words: distributed control, adaptive control, large flexible spacecraft, Lyapunov theory, vibration suppression

中图分类号: 

  • V448.22

图1

卫星单侧太阳能帆板示意图"

图2

卫星太阳能帆板振动示意图"

图3

子模块间耦合影响关系"

图4

控制方案图"

表1

卫星帆板各项参数"

参数数值参数数值
帆板长/m10弹性模量/GPa70.3
帆板宽/m3泊松比0.3
帆板厚/m0.05密度/(kg·m-32700

表2

作动器传感器安装位置坐标"

序号横坐标纵坐标
16.00-0.41
29.020.90
34.31-0.35
40.161.06
56.000.41
69.02-0.90
74.310.35
80.16-1.06

图5

作动器传感器优化位置示意图"

图6

分布式控制原理图"

图7

帆板自由振动前三阶模态振型"

图8

子模块1和5在分布式控制下的模态坐标"

图9

子模块1和5在分布式控制下的控制力"

图10

外界持续干扰下控制方法对比图"

表3

太阳能帆板抑振时间"

控制方法振幅抑制达97%的时间/s
子模块 1子模块5平均时间
分布式控制0.89280.80600.7812
基于LQR分布式控制2.24121.34621.3461
集中式控制2.65321.83351.8334

图11

子模块1和5在分布式控制下的模态坐标"

图12

子模块1和5在分布式控制下的控制力"

图13

单次强冲击干扰下控制方法对比图"

表4

太阳能帆板抑振时间"

控制方法振幅抑制达97%的时间/s
子模块 1子模块5
分布式控制5.61245.2276
基于LQR分布式控制5.84485.8532
集中式控制5.98765.9840
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