控制理论与应用

作者：葛东明,史纪鑫,邹元杰,邓润然,朱卫红

单位：北京空间飞行器总体设计部,北京空间飞行器总体设计部,北京空间飞行器总体设计部,北京空间飞行器总体设计部,北京空间飞行器总体设计部

关键词：太阳帆航天器；动力学建模；姿态控制；柔性；仿真

基金：国家自然科学基金项目(61690215, 61640304, 61573060, 61203093，61803027), 国家杰出青年科学基金(61525301)

柔性太阳帆完整的仿真模型包括多体动力学、刚柔耦合、以及太阳辐射光压模型，导致控制设计十分复杂。针对带有控制杆的太阳帆，本文采用拉格朗日方程和有限元方法，给出了解析形式的面向控制的模型。所推导的刚柔耦合动力学模型便于理解双框架控制杆的短周期运动，姿态与柔性太阳帆的耦合特性，以及在太阳光压恢复力矩下的静稳定姿态长周期运动。基于带控制杆的太阳帆的多时间尺度特性，给出了双回路控制结构，用于实现航天器俯仰轴和偏航轴的姿态控制。内回路设计为比例-微分（PD）控制器，用于实现质心位置的调整。外回路设计为比例-积分-微分（PID）控制器，用于阻尼姿态运动，并保持在平衡太阳光压力矩下的期望姿态。因此，将控制问题分解为低阶子问题，实现了在不同频带上的设计。仿真结果验证了动力学和姿态控制设计方法的有效性。

来源：2019年第12期

《控制理论与应用》期刊编辑部

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