臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统

摘要

臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统，涉及工业自动化领域，解决了现有臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法存在的惯性指向控制精度低的问题。该控制系统包括控制器；与控制器电连接的望远镜惯性位置传感器；与控制器电连接且与旋转关节个数相等的关节位置传感器、电机驱动电路、电机电流传感器和关节惯性速度传感器；每个旋转关节上均固定有一个关节电机，同一个旋转关节上的关节电机和关节位置传感器之间为机械连接，每个关节电机分别与一个电机驱动电路和一个电机电流传感器电连接。依据臂式空间天文望远镜的动力学模型设计控制算法和完成非线性项的补偿，通过关节惯性速度传感器实现每个关节的闭环反馈，提高惯性指向控制精度。

主权项

臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，其特征在于，该方法是将臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统安装在臂式空间天文望远镜和空间飞行器(1)上，对臂式空间天文望远镜的惯性指向进行自动控制，该方法的条件和步骤如下：a、依据事先经过分析或试验得到的臂式空间天文望远镜的包含非线性因素的动力学模型，采用反馈线性化方法，得到分别对应于每个旋转关节(4)的单输入单输出线性化模型和非线性补偿力矩；b、依据每个旋转关节(4)的单输入单输出线性化模型设计完成每个旋转关节(4)的电流环控制算法、速度环控制算法和位置环控制算法，将这三个控制算法和步骤a中得到的每个旋转关节(4)的非线性补偿力矩存储于控制器(3)中；c、控制器(3)接收来自于空间飞行器(1)的期望惯性姿态指令信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值，望远镜惯性位置传感器(10)实时测量空间天文望远镜(2)光轴的实际惯性姿态信号，采用卡尔曼滤波算法(11)对空间天文望远镜(2)光轴的实际惯性姿态信号进行计算得到更加精确的惯性姿态信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的角度值；d、在控制器(3)中将期望惯性姿态指令信号与精确的惯性姿态信号相减，即将俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值分别减去各自对应自由度的角度值，得到空间天文望远镜(2)光轴的惯性姿态误差；e、每个关节位置传感器(6)实时测量得到对应的关节电机(5)的旋转角度信号，通过控制器(3)中的逆运动学计算模块(12)以空间天文望远镜(2)光轴的惯性姿态误差、关节电机(5)的旋转角度信号作为输入信号，经过旋转矩阵计算得到对应的旋转关节(4)的关节角误差值；f、在控制器(3)中将旋转关节(4)的关节角误差值作为该旋转关节(4)的位置环控制算法(13)的控制输入，经过计算得到每个旋转关节(4)速度环的控制输入；g、每个关节惯性速度传感器(9)实时测量得到对应的旋转关节(4)相对于惯性系的角速度信号，在控制器(3)中将旋转关节(4)速度环的控制输入减去对应于该旋转关节(4)相对于惯性系的角速度信号，得到每个旋转关节(4)的惯性角速度误差值；h、在控制器(3)中将旋转关节(4)的惯性角速度误差值作为该旋转关节(4)的速度环控制算法(14)的控制输入，经过计算得到每个旋转关节(4)电流环的第一个控制输入；i、将步骤a中得到的旋转关节(4)的非线性补偿力矩作为该旋转关节(4)电流环的第二个控制输入；j、在控制器(3)中将旋转关节(4)电流环的第一个控制输入和第二控制输入相加得到该旋转关节(4)的电流环的总控制输入；k、电机电流传感器(8)实时测量得到每个关节电机(5)的电流信号，每个旋转关节(4)的电流环的总控制输入减去对应于该旋转关节(4)的关节电机(5)的电流信号，得到每个旋转关节(4)的电流误差；l、在控制器(3)中将旋转关节(4)的电流误差作为该旋转关节(4)的电流环控制算法(15)的控制输入，经过计算得到关节电机(5)的输入电压值；m、将关节电机(5)的输入电压施加于电机驱动电路(7)，电机驱动电路(7)产生驱动电压信号控制关节电机(5)旋转，同时通过关节电机(5)控制旋转关节(4)旋转，从而带动空间天文望远镜(2)运动至期望惯性姿态。