[發明專利]一種帶有執行器飽和的空間機器人自抗擾控制方法

有效

• 申請號: 201711250985.3
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN108227485B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 袁源;于洋;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種帶有執行器飽和的空間機器人自抗擾控制方法，首先通過設計跟蹤微分器為系統的期望軌跡及姿態安排合適的過渡過程，同時獲取期望值得微分信號為后續控制器設計做準備；利用離散輸出信號設計采樣擴張狀態觀測器，對空間機器人系統中的狀態以及耦合、外部干擾等形成的總的非線性不確定項進行實時估計，并將非線性不確定項的估計值補償到誤差反饋控制率中；本發明不僅能避免內外干擾等非線性因素對系統造成不利影響，又能夠確保執行機構在飽和范圍內對空間機器人實施精準地位置與姿態控制。本發明提出的控制策略對考慮采樣輸出及帶有執行器飽和的空間機器人系統有良好的控制效果，并且可以廣泛應用于其他非線性系統中。

技術領域

本發明屬于空間機器人系統伺服控制領域，涉及一種帶有執行器飽和的空間機器人自抗擾控制方法。

背景技術

對于處于深空中進行交會對接、軌道與姿態重置、碎片的抓取、空間站的搭建等各種復雜操作任務的空間機器人而言，自身狀態間的耦合、行星大氣阻力、光壓力、太陽電磁輻射、引力場和磁場等對空間機器人軌道和姿態運動產生一定的干擾力矩，進而會對長時間的空間操作任務造成相當大的影響。目前針對空間機器人的控制，研究人員提出PID控制、最優控制、自適應控制、滑模控制等控制策略。其中，PID控制方法雖然簡單有效，隨著對控制精度要求的不斷提高和系統特性的復雜多變，PID控制顯示了其不足之處；最優控制能使某一控制指標達到極值，具有較強的魯棒性，但是算法還有待繼續優化；無源自適應控制律，實現了轉動慣量未知情況下的空間機器人系統的姿態控制；滑模控制魯棒性強，干擾抑制效果較好，但是會出現系統輸出抖振等現象。隨著航天器的日益復雜，系統時變性、非線性、不確定性的不斷增強，上述幾種控制方法難以發揮有效作用，控制效果并不理想。同時，隨著計算機技術的推進，空間機器人系統的控制也不例外的屬于計算機控制系統，即，其通過計算機離散時間采樣獲取傳感器測量的系統狀態信息，進而實現對系統的控制；除此之外，由于空間機器人執行機構自身或者工作環境的限制，必須對空間機器人的執行機構進行一定的幅值限制。因此，尋求一種基于采樣輸出的抗干擾主動控制方法，確保空間機器人系統在安全范圍內完成各種復雜操作任務顯得尤為重要。

自抗擾控制技術是一種不基于模型且可以解決復雜非線性不確定系統控制問題的先進控制策略。其主要核心思想為：將系統中的未建模動態以及未知內外干擾當作系統的總和擾動，被擴張狀態觀測器實時估計并補償到誤差反饋控制器中，從而實現了動態系統的動態反饋線性化。隨著理論研究的不斷成熟，自抗擾控制技術已被廣泛應用于電機控制、飛行器控制、軋鋼、發電廠、坦克炮控系統等工業領域。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種帶有執行器飽和的空間機器人自抗擾控制方法，該方法針對帶有執行器飽和的采樣輸出空間機器人位置與姿態控制問題，在考慮執行機構飽和問題的同時，利用離散時間采樣輸出信號設計采樣擴張狀態觀測器，對空間機器人系統中的耦合、外部干擾等時變非線性不確定項進行實時估計，并補償到誤差反饋控制率中形成飽和控制器，最終確保空間機器人系統在安全范圍內實現位置和姿態的精準控制，提高了系統的魯棒穩定性。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種帶有執行器飽和的空間機器人自抗擾控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：構建微重力環境下帶有執行器飽和的空間機器人系統動力學模型；

步驟2：設計跟蹤微分器；

步驟3：設計采樣擴張狀態觀測器，估計系統中的狀態和非線性不確定項；

步驟4：設計飽和控制器；

步驟5：采樣擴張狀態觀測器和控制器參數調節。

本發明進一步的改進在于：

步驟1的具體方法如下：