[發(fā)明專利]一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410735467.0
• 申請(qǐng)日: 2014-12-05
• 公開（公告）號(hào): CN104462810A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃思萌;耿云海;侯志立;孫瑞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00;B64G1/24;G05D1/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 楊立超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)與跟蹤控制的調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)

衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制通常分為快速機(jī)動(dòng)階段與穩(wěn)定跟蹤階段，對(duì)于不同的階段對(duì)控制系統(tǒng)的要求是不同的。在快速機(jī)動(dòng)階段，需要保證控制系統(tǒng)計(jì)算的最大力矩不超過衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩。在穩(wěn)定跟蹤階段，需要保證控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度。

對(duì)于傳統(tǒng)的LQR方法，LQR優(yōu)化指標(biāo)加權(quán)矩陣的參數(shù)只能選取為常值，不能保證在衛(wèi)星運(yùn)行的不同階段提供側(cè)重控制的不同方面。

而SDRE方法也并沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)，因此，雖然該方法能夠很好的應(yīng)用在一類特殊的非線性系統(tǒng)中，但不能保證在不同的控制階段，側(cè)重不同的方向。現(xiàn)在的SDRE方法更加側(cè)重利用其求解非線性最優(yōu)控制問題，并沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制在快速機(jī)動(dòng)階段，需要保證控制系統(tǒng)計(jì)算的最大力矩不超過衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩的問題；現(xiàn)有衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制在穩(wěn)定跟蹤階段，需要保證控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度問題；現(xiàn)有傳統(tǒng)的LQR方法，不能保證在衛(wèi)星運(yùn)行的不同階段提供側(cè)重控制的不同方面的問題；現(xiàn)有SDRE方法不能保證在不同的控制階段，側(cè)重不同的方向的問題；以及現(xiàn)有SDRE方法沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)的問題。而提出了一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法。

上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

步驟一、將衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程改寫成狀態(tài)相關(guān)的形式；提取出需要的控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量x，簡寫衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；

步驟二、按照二次型最優(yōu)的形式寫出控制系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)J的表達(dá)式；

步驟三、對(duì)優(yōu)化指標(biāo)J中涉及的輸入加權(quán)矩陣R(x)與控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量x的加權(quán)矩陣Q(x)進(jìn)行設(shè)計(jì)；

步驟四、利用SDRE算法求解出控制系統(tǒng)的控制信號(hào)u_c；

步驟五、根據(jù)控制信號(hào)u_c計(jì)算出指令力矩T_c，將T_c發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制衛(wèi)星的姿態(tài)。

發(fā)明效果

采用本發(fā)明的一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法，本發(fā)明通過選取Q(x)的表達(dá)式在最初階段σ_ei較大，Q(x)對(duì)角線元素很小，根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)J的含義，此時(shí)對(duì)狀態(tài)的加權(quán)值很小，因此，此階段的優(yōu)化指標(biāo)保證了系統(tǒng)提供較小的力矩，通過對(duì)Q(x)中參數(shù)的合理選取可以保證衛(wèi)星機(jī)動(dòng)的最大力矩小于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩(如果初始階段力矩較大，將ε_i調(diào)大即可)。在穩(wěn)定跟蹤階段，σ_ei很小，此時(shí)的Q(x)對(duì)角線元素很大，因此，此階段的優(yōu)化指標(biāo)保證了系統(tǒng)能夠有較高的精度。穩(wěn)定跟蹤階段控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度相比現(xiàn)有技術(shù)增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)；能夠保證在衛(wèi)星運(yùn)行的不同階段，側(cè)重控制的不同方面；本發(fā)明的一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)。

結(jié)合實(shí)施例一由仿真結(jié)果可以看出：Q(x)取為系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)在50s收斂，姿態(tài)角跟蹤精度為4.5×10^-4°，系統(tǒng)所需最大力矩為10Nm；Q(x)＝100E_3×3的情況下系統(tǒng)在120s收斂，姿態(tài)角跟蹤精度為0.02°，系統(tǒng)所需最大力矩為10Nm；Q(x)＝1000E_3×3的情況下系統(tǒng)在80s收斂，姿態(tài)角跟蹤精度為4×10^-3°，系統(tǒng)所需最大力矩為22Nm；Q(x)取為系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)時(shí)衛(wèi)星的收斂速度最快，控制精度最高，所需控制力矩最小。說明本發(fā)明的合理性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖；

圖2是Q取為狀態(tài)變量時(shí)衛(wèi)星的誤差歐拉角變化曲線，deg為角度單位度；

圖3是Q取為狀態(tài)變量時(shí)衛(wèi)星的衛(wèi)星的輸入力矩曲線，其中——表示x軸所需力矩，表示y軸所需力矩，表示z軸所需力矩，Nm為力矩單位牛米；

圖4是Q對(duì)角線元素取為100時(shí)，衛(wèi)星的誤差歐拉角變化曲線；

圖5是Q對(duì)角線元素取為100時(shí)，衛(wèi)星的輸入力矩曲線，其中——表示x軸所需力矩，表示y軸所需力矩，表示z軸所需力矩；

圖6是Q對(duì)角線元素取為1000時(shí)，衛(wèi)星的誤差歐拉角變化曲線；

圖7是Q對(duì)角線元素取為1000時(shí)，衛(wèi)星的輸入力矩曲線，其中——表示x軸所需力矩，表示y軸所需力矩，表示z軸所需力矩。

具體實(shí)施方式