[發明專利]一種欠驅動繩系復合體系統的神經網絡動態面控制方法

有效

• 申請號: 201811088097.0
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN109212970B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 黃攀峰;魯迎波;孟中杰;張帆;張夷齋;劉正雄;董剛奇
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 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

本發明公開了一種欠驅動繩系復合體系統的神經網絡動態面控制方法，包括以下步驟：將抓捕后空間繩系復合體系統分解為欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a，并建立繩系欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a的動力學模型，欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a間存在耦合關系：針對存在擾動的欠驅動子系統Ξ_b的控制，采用神經網絡和PD控制設計虛擬控制律，構造出期望的增廣跟蹤軌跡；針對存在擾動和控制輸入受限的全驅動子系統Ξ_a，以期望的增廣跟蹤軌跡為跟蹤量，設計神經網絡動態面控制律。該方法可用于解決存在外部擾動和控制輸入飽和情況下繩系復合體的穩定控制問題；可用于解決欠驅動繩系系統的控制問題。

技術領域

本發明涉及一種目標抓捕后欠驅動繩系復合體系統的神經網絡動態面控制方法，屬于繩系航天器穩定控制的范疇。

背景技術

繩系航天器是通過輕質柔軟的系繩將空間平臺與航天器、抓捕器(飛舌、飛矛、飛網等)連接起來而形成的復合體系統。繩系航天器可用于完成軌道垃圾(如空間碎片、火箭上面級等)清除、失效航天器的在軌維修等空間任務。上述任務需要在復合體系統姿態穩定的前提下執行的。當抓捕器捕獲高速旋轉失穩非合作目標后形成復合體后，為實現復合體的姿態鎮定，可利用位于空間平臺上的張力控制裝置提供期望的控制力矩，配合抓捕器上的控制機構，完成抓捕后復合體的穩定控制，便于后續的任務實施。

針對特殊的繩系航天器，其系繩長度僅有數十米甚至數百米，遠遠小于傳統繩系衛星的系繩長度，因此需要考慮抓捕后復合體的三維姿態，繩系衛星中經典的“啞鈴體”模型不再適用。繩系系統是一個典型的欠驅動、強耦合、高度非線性系統，加之外部擾動的影響，其控制變得異常復雜。在過去的幾十年間，針對欠驅動繩系系統控制的研究已經取得了一定的進展。主要集中在如下幾個方面：1)、哈爾濱工業大學孫光輝等、加拿大約克大學的朱正宏等設計了分數階控制律，實現繩系衛星“啞鈴體”欠驅動模型的控制；2)、南京航空航天大學文浩等研究了電動力系繩回收/釋放過程中繩系衛星的穩定控制，設計了相應的系繩張力控制力以及電流控制律，但也只考慮了系繩的面內角、面外角和系繩長度三個變量，忽略了衛星的姿態；3)、西北工業大學黃攀峰教授團隊研究了繩系機器人目標抓捕后復合體的穩定控制，考慮了抓捕后復合體的三維姿態，但其假設抓捕后復合體系統是全驅動系統。

因此到目前為止，考慮目標三維姿態的欠驅動繩系系統的研究相對較少，加之執行器控制輸入受限、繩系系統外部擾動等約束的限制，針對此類欠驅動繩系復合體系統的控制具有實際的工程意義和研究價值。

發明內容

為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種欠驅動繩系復合體系統的神經網絡動態面控制方法，以處理空間繩系復合體系統受外部擾動、控制輸入受限和欠驅動的問題，針對存在擾動和控制輸入受限的全驅動子系統Ξa，以期望的增廣跟蹤軌跡為跟蹤量，設計神經網絡動態面控制律，實現系統穩定。

為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案來實現：

一種欠驅動繩系復合體系統的神經網絡動態面控制方法，包括以下步驟：

將抓捕后空間繩系復合體系統分解為欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a，并建立繩系欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a的動力學模型，欠驅動子系統Ξ_b和全驅動子系統Ξ_a間存在耦合關系：

針對存在擾動的欠驅動子系統Ξ_b的控制，采用神經網絡和PD控制設計虛擬控制律，構造出期望的增廣跟蹤軌跡；

針對存在擾動和控制輸入受限的全驅動子系統Ξ_a，以期望的增廣跟蹤軌跡為跟蹤量，設計神經網絡動態面控制律。