[發(fā)明專利]基于改進迭代算法的自適應滑模變結構航天器姿態(tài)控制方法

有效

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• 申請日: 2018-03-25
• 公開（公告）號: CN108427428B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 黃平;曹雨佳;孫婷婷;王偉;孫延偉;賈通;王旭剛;趙云志;王佳安;吳聞起;黃俊杰;楊光
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及的是一種基于改進迭代算法的自適應滑模變結構航天器姿態(tài)控制方法。⑴通過歐拉角坐標變換對一般剛性航天器進行動力學建模。⑵考慮存在外界擾動和參數(shù)攝動，對航天器進行基于雙曲正切的自適應滑模控制律(ADSVC)的設計。⑶先對迭代算法做出改進，使得改進的迭代算法對于訓練數(shù)據(jù)集具有更好的處理能力。再在設計完成的ADSVC方法的基礎上利用改進的迭代算法對控制律的參數(shù)進行調(diào)整，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)實際狀態(tài)進行參數(shù)調(diào)整，實現(xiàn)快速性與控制精度的要求。

技術領域

本發(fā)明涉及的是一種航天器姿態(tài)控制方法，具體地說是一種將改進的迭代算法與自適應滑模變結構方法相結合的航天器姿態(tài)控制方法。

背景技術

隨著航天技術的不斷發(fā)展，人類對太空世界的探索變得愈加渴求，航天器的結構也趨于復雜化。航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)是航天任務執(zhí)行成功的關鍵。航天器在太空環(huán)境下會受到一些復雜的擾動，包括由于空間環(huán)境和輻射所造成的太陽光壓、引力梯度以及由于機體復雜結構和負載連接所引起的抖振與參數(shù)攝動等。但是不管是利用經(jīng)典控制方法或者現(xiàn)代控制方法來設計的控制方案都是采用航天器的標稱參數(shù)，而在航天器運行時由于燃料消耗、負載展開等因素可能會引起標稱值的變化，進而會使得模型的參數(shù)出現(xiàn)不確定性。這些問題導致航天器的性能下降以及試驗失敗的例子舉不勝舉，因此，在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的設計中，對于這些問題進行處理和改進顯得尤為重要。

經(jīng)典的姿態(tài)控制方法都是在航天器線性化模型的基礎上建立起來的。對于非線性系統(tǒng)來說，將非線性航天器動力學和運動學模型線性化，然后再通過線性系統(tǒng)理論中的常用方法來解決姿態(tài)控制的問題。對于航天器復雜的任務要求和面對的實際控制問題，許多學者開始深入研究非線性控制方法，并將其應用于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中。常用的非線性方法有Lyapunov方法、滑模變結構方法、自適應控制方法、最優(yōu)控制方法以及魯棒控制方法等。

其中，滑模變結構方法由于其實現(xiàn)簡單、可靠性高的特點，并且對系統(tǒng)的干擾及參數(shù)變化有較強的魯棒性，成為了研究的熱點之一。但是滑模方法也有其自身的缺陷，由于需要來回穿梭滑模面，不連續(xù)的切換會造成系統(tǒng)的抖振，從而影響系統(tǒng)的控制性能。所以對滑模變結構的抖振問題進行研究變得更有意義，目前存在的方法包括連續(xù)函數(shù)近似法、趨近律方法、動態(tài)滑模方法、模糊方法等。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠根據(jù)航天器自身姿態(tài)信息進行控制律參數(shù)的調(diào)整，能夠在內(nèi)外擾動的情況下實現(xiàn)對航天器姿態(tài)的快速、精確控制的基于改進迭代算法的自適應滑模變結構航天器姿態(tài)控制方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

步驟一、將航天器系統(tǒng)任一方向線性模型表述為：

其中，x₁為該方向上的姿態(tài)角角度，為該方向上的姿態(tài)角的角速度，x₂為該方向上的姿態(tài)角的角速度，A、B為狀態(tài)空間方程中的系統(tǒng)參數(shù)，為帶有參數(shù)攝動的航天器轉(zhuǎn)動慣量，d為系統(tǒng)的外部擾動，u為需要設計的控制器輸入；

步驟二、根據(jù)航天器的線性模型設計基于雙曲正切函數(shù)的自適應滑模控制律

設計滑模函數(shù)為

其中，s(t)為滑模函數(shù)即滑模面，c為滿足Hurwitz條件的參數(shù)，e(t)為跟蹤誤差，為跟蹤誤差導數(shù)，

跟蹤誤差及其導數(shù)為

其中，x為姿態(tài)角角度，x_d為期望的姿態(tài)角角度即跟蹤的指令信號，為姿態(tài)角的角速度，為期望的姿態(tài)角的角速度，

取為J的估計值，其中J為系統(tǒng)未知轉(zhuǎn)動慣量，定義Lyapunov函數(shù)為

其中，為Lyapunov函數(shù)的參數(shù)，