[發(fā)明專利]一種航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器的設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN113156811B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋燕;董鈺瑩;馬江濤
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31312
• 代理人: 余娜

本發(fā)明公開了一種航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器的設(shè)計方法。首先，為了很好地刻畫航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的非線性和參數(shù)不確定性，采用區(qū)間二型T?S模糊模型來建立系統(tǒng)模型。其次，為了降低無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸負擔和節(jié)約傳輸及計算資源，將一個自觸發(fā)機制與模糊模型預(yù)測控制方法相結(jié)合，繼而提出自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器數(shù)學模型。然后，充分考慮區(qū)間二型T?S模糊系統(tǒng)的非線性和不確定性，在自觸發(fā)模型預(yù)測控制框架下，構(gòu)建一個無窮時域“極小?極大”在線優(yōu)化問題。借助于類李雅普諾夫函數(shù)方法，推導(dǎo)出能保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件并且提出完整的自觸發(fā)模型預(yù)測控制算法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及智能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的自觸發(fā)模 糊模型預(yù)測控制器的設(shè)計方法。

背景技術(shù)

隨著人類航天活動的增多，航天器姿態(tài)控制在很長時間內(nèi)一直是一個活躍 的研究課題，而航天器模型本身的非線性性質(zhì)，加上不確定性參數(shù)、信息傳輸 資源有限等，使姿態(tài)控制問題很具吸引力和挑戰(zhàn)性。再者，航天器姿態(tài)控制系 統(tǒng)是實現(xiàn)航天器平臺標準化的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時也是航天器系統(tǒng)中一個不可 或缺的組成部分。成功地設(shè)計一套能夠滿足航天器姿態(tài)控制精度的控制體系， 解決目前因姿態(tài)控制中存在的安全飛行問題，為發(fā)展航天器的穩(wěn)定且安全在軌 運行及其正常太空載荷工作等提供必要理論和技術(shù)基礎(chǔ)具有重要理論意義和實 際應(yīng)用價值。

眾所周知，區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)具有較強的實際建模能力，它能準確地 描述航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的非線性和參數(shù)不確定性。與此同時，自上世紀50年 代以來，模型預(yù)測控制因其在求解帶約束多變量的優(yōu)化控制問題中具有明顯的 優(yōu)勢而受到工業(yè)界廣泛重視，迄今為止在化工、生物、煉油等領(lǐng)域的過程控制 中得到成功應(yīng)用并取得顯著的經(jīng)濟效益。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前基于模型預(yù)測控制 (簡稱預(yù)測控制)的區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)的航天器姿態(tài)控制分析與綜合文獻 較少，究其原因主要是系統(tǒng)的非線性和參數(shù)不確定性極有可能導(dǎo)致控制算法遞 歸可行性失效，進而導(dǎo)致被控系統(tǒng)失穩(wěn)。另外，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，無 線網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)運而生。針對在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸下區(qū)間二型T-S模糊控制系統(tǒng)的模 型預(yù)測控制問題的研究，數(shù)據(jù)傳輸負擔、數(shù)據(jù)更新頻率、控制性能三者之間的 矛盾將變得尤為突出。因此，對于在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸下的區(qū)間二線T-S模糊系統(tǒng) 的預(yù)測控制研究具有重大的理論價值和現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種有效地提高系統(tǒng)性能，降低數(shù)據(jù)傳輸負擔和減 少控制器的計算量的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器的設(shè)計 方法。

為達到上述目的，本發(fā)明提出一種航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的自觸發(fā)模糊模型 預(yù)測控制器的設(shè)計方法，包括以下步驟：

步驟1：建立航天器的區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)模型，確定基于所述區(qū)間二型 T-S模糊模型的航天器姿態(tài)的系統(tǒng)參數(shù)和硬約束，初始化系統(tǒng)狀態(tài)；

步驟2：將自觸發(fā)機制與所述區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)模型預(yù)測控制相結(jié)合， 提出自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器模型，并確定觸發(fā)間隔上界和初始觸發(fā)時刻；

步驟3：基于區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)模型和自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制器模型 設(shè)計目標函數(shù)；

步驟4：依據(jù)以上的目標函數(shù)，在自觸發(fā)模糊模型預(yù)測控制框架下，構(gòu)建一 個無窮時域“極小-極大”在線優(yōu)化問題；

步驟5：推導(dǎo)出使系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件，并且將以上構(gòu)建的優(yōu)化問題轉(zhuǎn) 化成可解的基于線性矩陣不等式的優(yōu)化問題，進而通過求解該模型得到相應(yīng)的 控制增益以及確定下一個觸發(fā)時刻。

進一步的，在步驟1中，包括以下步驟：

步驟1.1：確定所述區(qū)間二型T-S模糊系統(tǒng)的第i條模糊規(guī)則：

Then x(k+1)＝Aⁱx(k)+Bⁱu(k)