[發明專利]一種基于模糊線性化理論的衛星集群姿態跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202010854200.9
• 申請日: 2020-08-24
• 公開（公告）號: CN112099516B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 張卓;李慧平;張守旭;崔榮鑫;嚴衛生
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05B13/04
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發明公開了一種新型衛星集群姿態跟蹤控制方法，首先構建衛星集群姿態跟蹤誤差系統的動力學及運動學模型，再利用模糊線性化理論將誤差系統模型進行模糊線性化處理，得到由多組模糊邏輯構成的模糊系統；針對模糊系統設計分布式協同控制律，將控制律代入模糊系統得到閉環系統，并將該閉環系統進行等價轉化，再利用李雅普諾夫穩定性理論和線性矩陣不等式方法分析等價系統的性能，設計控制器參數。本發明方法能夠在較小的輸入時延下實現快速的姿態同步跟蹤，在較大的輸入時延下能夠保證系統具有較好的性能。

技術領域

本發明屬于自動控制領域，具體涉及一種衛星姿態控制方法。

背景技術

針對衛星集群姿態跟蹤控制，現有技術做了一定的研究，參考文獻“Decentralizedrobust adaptive control for attitude synchronization under directedcommunication topology，Journal of Guidance Control and Dynamics，2011，34(4)，1276-1282”公開了一種衛星集群姿態同步控制方法。該方法將衛星姿態模型中的非線性項作為控制補償項反饋到控制系統中，設計了多星姿態同步跟蹤控制算法。在實際應用中，各類電子元件及電路系統本身的屬性導致控制系統中不可避免的存在時延，衛星集群系統在信息交互過程中也會產生通信時延。時延的存在將對控制系統性能產生影響，甚至破壞系統的穩定性。該文獻中并未考慮時延問題，直接應用參考文獻中設計的方法處理時延問題將導致系統性能較差，在較大時延下系統甚至將不穩定。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種基于模糊線性化理論的衛星集群姿態跟蹤控制方法，首先構建衛星集群姿態跟蹤誤差系統的動力學及運動學模型，再利用模糊線性化理論將誤差系統模型進行模糊線性化處理，得到由多組模糊邏輯構成的模糊系統；針對模糊系統設計分布式協同控制律，將控制律代入模糊系統得到閉環系統，并將該閉環系統進行等價轉化，再利用李雅普諾夫穩定性理論和線性矩陣不等式方法分析等價系統的性能，設計控制器參數。本發明方法能夠在較小的輸入時延下實現快速的姿態同步跟蹤，在較大的輸入時延下能夠保證系統具有較好的性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

步驟1：構建衛星集群姿態跟蹤誤差系統的動力學及運動學模型；

定義衛星的實際姿態動力學及運動學模型如下：

式中，J_i表示衛星慣性矩陣，ω_i(t)表示衛星本體坐標系相對于慣性坐標系的姿態角速度向量，表示向量ω_i(t)的斜對稱矩陣；u_i(t)和f_i(t)分別表示衛星的控制輸入和干擾輸入，τ(t)表示輸入時延變量，且和其中和ρ為給定的正數；q_i(t)和q_i0(t)分別表示衛星姿態四元數的矢量和標量部分，表示矢量q_i(t)的斜對稱矩陣；I₃表示3階單位矩陣，i表示第i個衛星，t表示時間；

定義衛星的期望姿態運動學模型如下：

式中，θ_i(t)和θ_i0(t)分別表示衛星期望姿態四元數的矢量和標量部分，表示矢量θ_i(t)的斜對稱矩陣；v_i(t)表示衛星期望姿態的體坐標系相對于慣性坐標系的姿態角速度；

由式(1)和式(2)，構建衛星實際姿態與期望姿態之間的誤差模型如下：