[發明專利]一種基于模型預測控制的混合帆平動點軌道保持方法

有效

• 申請號: 202011334540.5
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112506051B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 安效民;高琛;袁源
• 申請（專利權）人: 西北工業大學深圳研究院;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: 安彥彥

1.一種基于模型預測控制的混合帆平動點軌道保持方法，其特征在于，包括：

在地月系統旋轉坐標系下，建立地月系統中混合帆平動點軌道運動的相對運動動力學方程，具體如下：

定義：r_ref＝[x_ref y_ref z_ref]^T表示參考軌跡，δr＝[δx δy δz]^T表示受控軌跡r_c與參考軌跡r_ref之間的相對位置矢量，r_c＝r_ref+δr；

混合帆平動點軌道運動的相對運動動力學方程為：

其中，μ為地月系統質量參數；a＝[a_x a_y a_z]^T為混合帆的控制加速度；

建立地月系統中混合帆平動點軌道的姿態運動運動學方程和姿態運動動力學方程，具體如下：

混合帆平動點軌道的姿態運動運動學方程為：

其中，β和α分別為太陽光線坐標系中混合帆的滾轉角、俯仰角和偏航角；

ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T為混合帆的旋轉角速度；Ω_s為地月系統中太陽光線的旋轉角速度；

混合帆平動點軌道的姿態運動動力學方程為：

其中，τ為控制力矩；I為混合帆的轉動慣量矩陣；

建立反射率控制裝置的控制力模型和控制力矩模型，并提取控制力模型和控制力矩模型的控制變量，具體如下：

定義：A、A_S和A_TH分別代表混合帆的總面積、反射率控制裝置的覆蓋面積和柔性薄膜太陽能電池板的覆蓋面積，A＝A_S+A_TH；面積比例定義為：u_S＝A_S/A,其中，為處于關閉狀態的反射率控制裝置的覆蓋面積；

處于打開狀態的反射率控制裝置的太陽光壓力為：

處于關閉狀態的反射率控制裝置的太陽光壓力為：

柔性薄膜太陽能電池板的太陽光壓力為：

其中，P為太陽輻射壓；和分別表示太陽光線單位矢量和混合帆法向單位矢量；

C_{a_off}、C_{d_off}和C_{s_off}分別表示關閉狀態反射率控制裝置的吸收系數、散射系數和鏡面反射系數；

C_{a_on}、C_{d_on}和C_{s_on}分別表示打開狀態反射率控制裝置的吸收系數、散射系數和鏡面反射系數；

C_{a_TH}、C_{d_TH}和C_{s_TH}分別表示柔性薄膜太陽能電池板的吸收系數、散射系數和鏡面反射系數；

混合帆的太陽光壓加速度為：

其中m為混合帆的質量；

考慮到混合帆電推進系統產生的加速度a_SEP，混合帆的總控制加速度可以表示為：

a＝a_SRP+a_SEP

在混合帆的本體坐標系中，將反射率控制裝置覆蓋的面積等分為4個對稱部分，分別記為A₁，A₂，A₃和A₄，A₁部分處于關閉狀態的反射率控制裝置的面積比例為u_y+，A₂部分處于關閉狀態的反射率控制裝置的面積比例為u_y-，A₃部分處于關閉狀態的反射率控制裝置的面積比例為u_z+，A₄部分處于關閉狀態的反射率控制裝置的面積比例為u_z-；

和方向的控制力矩分別為和

其中，u_z＝u_z+-u_z-；u_y＝u_y+-u_y-；為等效力臂，l_max為反射率控制裝置的最大邊長，l_TH為柔性薄膜太陽能電池板最大邊長；

假設方向的控制力矩τ_x由反作用飛輪提供，則反作用飛輪和反射率控制裝置提供給混合帆的控制力矩為：

τ＝[τ_x τ_y τ_z]^T

u_y和u_z為控制力矩模型的控制變量，為控制力模型的控制變量，u_y、u_z和之間的關系為：

其中，表示的最大值；

基于建立的混合帆平動點軌道運動的相對運動動力學方程、混合帆平動點軌道的姿態運動運動學方程和姿態運動動力學方程，利用模型預測控制方法，優化反射率控制裝置的控制力模型和控制力矩模型的控制變量，使混合帆電推進系統的燃料消耗最低；

所述優化反射率控制裝置的控制力模型和控制力矩模型的控制變量，具體如下：

混合帆質量的變化規律為

其中I_sp表示電推進系統的無量綱比沖；g₀表示無量綱地球重力加速度；m表示混合帆質量；因此，為了減少燃料消耗，需要優化a_SEP的幅值；

定義代價函數:

其中，Q為狀態權重正定矩陣；P為控制權重正定矩陣；

利用模型預測控制的基本原理，將控制問題變為帶有約束的序列二次規劃問題，以u_y、u_z和a_SEP為優化變量、代價函數J為優化目標，利用全局最優算法，尋找最優控制變量和使代價函數J最小。

2.根據權利要求1所述的一種基于模型預測控制的混合帆平動點軌道保持方法，其特征在于，所述全局最優算法采用粒子群算法。