充液挠性航天器姿态快速机动控制与多目标协同优化研究

The attitude control system of liquid-filled flexible spacecraft has complex nonlinear dynamics of rigid-flex-liquid coupling because of large quantity of liquid fuel and light flexible appendages carried. Attitude-maneuver-induced liquid sloshing and appendage vibration raises great challenge to achieving rapid large-angle maneuver and fast subsequent stabilization for the spacecraft. Aiming at the key issue of restraining vibration and slosh during the attitude maneuver, a new strategy to design the maneuver profile and the attitude controller cooperatively will be investigated. Through the analysis of the relationship between attitude movement of the hub, liquid sloshing and appendage vibration, novel approach to plan rapid maneuver profile in large-angle mobility mode for the three-axis attitude of flexible spacecraft will be explored. Meanwhile, to cope with the uncertainties such as time-varying parameters in the system and persistent disturbances which orbiting spacecraft is subjected to, a robust adaptive finite-time controller for the attitude maneuver will be studied by constructing a flexible modal vibration and a liquid-slosh observer. A feasible scheme for a cooperative design of the maneuver path and controller will be investigated. The proposed scheme will be verified by corresponding simulations. The project will provide theoretical and technical support for the implementation of high-performance attitude control for the liquid-filled flexible spacecraft.

充液挠性航天器因携带大量液体燃料和大型轻质挠性附件，其姿控系统具有刚柔液耦合的复杂非线性动力学特性，姿态机动极易诱发液体晃动和附件振动，这对实现航天器姿态大角度快速机动快速稳定提出了巨大挑战。本项目面向国家重大战略需求，针对充液挠性航天器姿态机动过程中抑振抑晃这一关键问题，提出协同设计机动路径和姿态控制器的新思路。通过剖析刚体运动、挠性附件振动和液体燃料晃动三者之间的内在联系，研究充液挠性航天器姿态大角度快速平稳机动路径规划的方法。针对在轨航天器参数时变和受到持续干扰等不确定问题，构建挠性模态振动与液体晃动观测器，研究适于充液挠性航天器的鲁棒自适应有限时间姿态机动控制方法；探索机动路径与姿态控制器协同设计的方案，通过数字仿真验证所提方法的有效性，为充液挠性航天器高性能姿态控制提供理论与技术支撑。

本项目采用智能优化理论和有限时间稳定性理论，研究了一类刚柔液耦合航天器的姿态机动路径规划方法、有限时间稳定控制方法，以及机动路径与控制器参数的协同优化方法，为充液挠性航天器高性能姿态控制提供理论与技术支撑。项目取得的主要研究成果有：1）针对充液挠性航天器姿态大角度快速机动快速稳定的控制要求，为了减少姿态机动引起的挠性振动和液体晃动，提出了一种七段式正弦型姿态机动路径的设计与参数优化方法；2）为了抑制液体晃动和挠性振动对姿态控制的影响，提出了一种液体晃动模态观测器的设计方法以及姿态滑模控制方法，提高了系统的鲁棒性和姿态指向精度；3）针对刚挠液耦合航天器姿态机动控制问题，结合多模态输入成型器，提出了一种新的有限时间姿态稳定控制方法，使航天器姿态能够在有限时间内稳定；4）针对充液挠性航天器姿态机动路径参数与控制器参数优化问题，提出了一种基于云多目标粒子群的联合参数优化算法，较好地解决了多约束条件下多目标优化问题，改善了充液挠性航天器姿态机动的快速性和稳定性；进一步，提出了一种改进的分层多目标参数联合优化算法，提高了多目标协同优化效率，改善了航天器姿态机动的控制性能。.项目实施过程中，在国内外控制领域的学术期刊和会议上发表论文12篇，其中SCI检索期刊论文5篇、SCI源刊在线发表1篇、EI检索论文3篇、EI源刊在线发表1篇、自动化学报录用1篇，国际会议论文1篇。申请并受理发明专利5件。本项目培养了博士研究生2名，硕士研究生1名。另有4名在读博士研究生和2名在读硕士研究生。