Attitude manoeuvre and vibration control of flexible spacecraft using computed feed-forward input commands and proportional-derivative feedback

Abstract

The current paper presents an investigation into development of feed-forward and feedback control strategies for active vibration and attitude control of a flexible spacecraft. In this approach, the feed-forward loop consists of a computed-torque scheme and a command shaping technique based on component synthesis vibration suppression (CSVS) method for shaping the input signal. For relaxing the requirement of dynamic linearity in traditional CSVS, a new approach is developed for designing the input component command by utilizing a structure, in which the modal forces of flexible modes vibration are shaped according to a predefined trajectory, to achieve the vibration suppression for the non-linear attitude dynamics. In addition, to follow the predefined trajectory identically or at least as closely as possible, a model-independent feedback control loop is employed, which can accomplish further reduction of the residual vibration of flexible appendages. This proposed control strategy is practical as it does not require direct measurement of mode vibration, and also has a simple structure with low online computational load. Numerical simulations demonstrate the effectiveness of the control strategy.

Flexible spacecraft attitude maneuver via adaptive sliding mode control and mixed component synthesis vibration suppression

“…。陕 晋军等人将该方法应用到了绕单轴转动的柔 性系统姿态控制中，获得了较好的振动控制效果。蔡 123456-2 小雷等人以空间交会对接任务为背景， 用分力合成方 法对任务中柔性附件的振动问题进行了有效控制 [3] 。 考虑到柔性系统存在参数变动的情况， 陕晋军等人 [4,5] 给出了分力合成方法对参数变动鲁棒性提升的改进 和证明。 随后多位学者对分力合成方法的应用做了拓 展性研究 [6][7][8][9] 虽然分力合成方法对柔性附件振动控制 效果明显，但受到开环控制特性的影响，难以直接应 用到航天器高精度姿态控制中。 针对现代柔性航天器对快速、 高精度姿态控制的 需求，自适应控制 [10][11][12] 、滑模变结构控制 [13,14] 、最优 控制 [15,16] 、非线性控制及复合控制等方法近来得到了 广泛的应用 [17,18] 。其中，滑模变结构控方法是一种优 势较明显的鲁棒性控制方法， 众多学者对其在姿态机 动 控制方面的 应用进行了大量探索。 Maganti 和 Singh [19] 提出可将飞行器俯仰角及其一阶导数看作输 出变量， 通过最小系统相位推导得出新型俯仰角控制 率，确保系统参数稳定。Chen 和 Huang [20] 针对受连 续扰动航天器因残余振动明显进而影响姿态精度的 问题， 探索了将鲁棒控制与自适应方法相结合的可行 性。Zhu 和 Xia 等 [21] 重点针对参数波动对姿态精度明 显的问题， 提出以不同滑模控制器分别实现扰动估计 和姿态控制。 虽然滑模变结构控制器在姿态机动控制 方面具备明显优势，但 仍然存在输出控制力矩颤振及 无法同时对柔性附件残余振动抑制的问题。 智能压电 材料技术的发展， 为主动振动控制方法的应用提供了 新的解决途径 [22][23][24][25][26] [27]…”