專利名稱：活動物體狀態(tài)控制設(shè)備及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活動物體的狀態(tài)控制設(shè)備及其控制方法，尤其地，涉及一種航天器中的活動物體的狀態(tài)控制設(shè)備及其控制方法。
已提出了許多常規(guī)的、關(guān)于狀態(tài)控制系統(tǒng)的方法，例如，在活動物體(包括航天器)中的姿態(tài)控制之類的方法。
然而近年來，航天器(例如人造衛(wèi)星之類)中對于在山地作業(yè)的精度上提出了更嚴格的要求。相應(yīng)地，必須有以下功能的改進。
1)在衛(wèi)星的目標姿態(tài)值方面，要提高姿態(tài)控制的精度。(減少誤差的絕對值)2)在衛(wèi)星的目標姿態(tài)值方面，要提高姿態(tài)穩(wěn)定性。(抑制在低頻的速率變化，也就是說，即使有干擾，也要實現(xiàn)衛(wèi)星的靜止)3)在衛(wèi)星的目標姿態(tài)值方面，要提高反應(yīng)能力。
4)在大尺寸、具有柔性的太陽能電池活動帆板的衛(wèi)星配置中，提供具有大的角動量或其它指示設(shè)備的驅(qū)動天線，以提供高的方向感應(yīng)能力。
5)要減少調(diào)整時間周期，并且通過與其它如上所述包含干擾源的子系統(tǒng)的盡可能簡單的接口來提高設(shè)計效率。
6)關(guān)于上述第5)，要能進一步消除姿態(tài)誤差。在廣泛應(yīng)用的、基于天線的驅(qū)動信號(角度/或角速度之類)的姿態(tài)控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)中，該姿態(tài)誤差不能消除。
同時，如圖7所示，作為一個通用的、已被廣泛認識的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)，航天器1的旋轉(zhuǎn)角度信息、旋轉(zhuǎn)角速度信息等(它們是由衛(wèi)星的導(dǎo)航動力系統(tǒng)2本身自動提供給航天器1的)被一姿態(tài)傳感器3所檢測，該信息又被輸入到姿態(tài)控制系統(tǒng)4中被執(zhí)行一諸如PID(比例，積分，差動)的控制，然后，PID控制系統(tǒng)4產(chǎn)生一控制命令，以驅(qū)動輪子之類東西的旋轉(zhuǎn)量，從而控制航天器1的姿態(tài)。
此時，各種干擾被加到航天器1中。因此，通常是預(yù)先估計干擾量來構(gòu)成控制系統(tǒng)。
例如，在日本未決的專利公布號JP-A-8-188199中公開了一項安裝消除估計干擾的信號發(fā)生裝置6的技術(shù)，其中，預(yù)先估計衛(wèi)星主體中所引入的干擾幅度，產(chǎn)生一消除干擾噪聲的干擾消除信號，然后，伴隨著姿態(tài)控制系統(tǒng)所提供的姿態(tài)控制信號，產(chǎn)生一估計的干擾消除信號。
然而，如此的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)對構(gòu)成一高精度的姿態(tài)控制系統(tǒng)存在很大的限制，因為其精度極大地被驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的精度所影響，亦即，被集中特性、角度檢測精度、角速度計算精度、角加速度計算精度、通信延遲及伴隨著不同計算機間的同步處理所產(chǎn)生的通信時間周期內(nèi)的抖動等等因素所影響。
又例如，在日本未決的專利公布號JP-A-3-125699中公開了一航天器的姿態(tài)控制方法。其中，使用了前饋補償信號，并且，在前饋補償信號中移去了高頻成分。
然而，在如此一廣為人知的例子中，在執(zhí)行前饋計算的過程中，當取自半差動值(差值)的角速度被以控制區(qū)間驅(qū)動系統(tǒng)的角度信息和角動量或更高階的角加速度而計算時，亦即，當干擾轉(zhuǎn)距被計算時，由低通濾波器自驅(qū)動系統(tǒng)所獲取的角速度時間序列被平滑，從而消除噪聲成分，低頻成分也被分離出來。
在如此一廣為人知的例子中，盡管在計算半差分值時噪聲成分被某種程度上消除了，然而，由低通濾波器的時間常數(shù)卻產(chǎn)生了一延遲，而使得“加入與驅(qū)動系統(tǒng)具有相反相位的補償轉(zhuǎn)矩”這一在前饋控制中最重要的功能卻被犧牲了，于是限制了以上要求的、實現(xiàn)姿態(tài)控制或姿態(tài)穩(wěn)定的改進。
進一步，當有意提高精度時，用于姿態(tài)系統(tǒng)的計算機需要與用于驅(qū)動系統(tǒng)的計算機進行同步計算，于是需要通信干擾處理，或是驅(qū)動系統(tǒng)的集中特性允差必須規(guī)定一極限，以便最大限度地增強功能、調(diào)整時間周期和設(shè)計費用。
也就是說，由于干擾本身不可能被實際測量，因此需要使用某些方法來估計，而當要進行精確估計時，系統(tǒng)本身就變得復(fù)雜，從而增加費用。進一步，安裝在航天器1上的那些計算機都需彼此異步工作，相應(yīng)地，處理干擾信息的時間需要與之匹配。如此，系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜。
而且，在目前的航天器1中，當天線8或是太陽能電池組7的結(jié)構(gòu)尺寸很大而且為活動結(jié)構(gòu)時，天線或是太陽能電池組的移動、振動所引起的天線轉(zhuǎn)動干擾便增強了，并構(gòu)成低頻。于是，加在航天器1上的干擾反應(yīng)加劇。
因此，為抑制如此的干擾反應(yīng)，常規(guī)的控制系統(tǒng)總是導(dǎo)致費用的增加和系統(tǒng)的復(fù)雜化，于是難以精確控制。
此外，在日本未決的專利公布號JP-A-62-125998中描述了一種航天器姿態(tài)控制方法。其中，在常規(guī)的閉環(huán)控制中安裝了一反饋信號存貯單元。反饋信號的變化被存貯到存貯單元，而誤差補償命令被確定，如此，姿態(tài)誤差在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上被減少。根據(jù)日本未決的專利公布號JP-A-8-282598，公開了在一人造衛(wèi)星的姿態(tài)控制設(shè)備中安裝轉(zhuǎn)矩補償裝置的技術(shù)，以產(chǎn)生消除來自致動器和驅(qū)動控制裝置的角動量所必須的轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動控制裝置的建立是為了使得活動單元的驅(qū)動遲于轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生。然而，它們都不足以解決上述問題。
因此，本發(fā)明的一個目標就是提供一廉價的姿態(tài)控制設(shè)備和姿態(tài)控制方法，以改善常規(guī)技術(shù)中的上述缺陷，并利用一簡單結(jié)構(gòu)來方便而精確地補償干擾，而不劇烈地補償驅(qū)動干擾源。
本發(fā)明采用下述的技術(shù)構(gòu)成來達到上述目的。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一活動物體的狀態(tài)控制設(shè)備。它由以下部分組成針對諸如干擾轉(zhuǎn)矩的外部噪聲的一活動物體所固有的導(dǎo)航動力系統(tǒng)；一用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)的致動器；用于輸出控制信號，以根據(jù)來自導(dǎo)航動力系統(tǒng)的預(yù)定的第一輸出信號來驅(qū)動致動器的第一控制裝置；用于輸出控制信號，以在前饋控制中根據(jù)外部噪聲來將一外部噪聲的估計值加到第一控制裝置所輸出的控制信號中以控制致動器的求和裝置；以及一第二控制裝置，用于輸出基于導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出的預(yù)定的第二信號的外部噪聲估計值的誤差量。其中，由該第二控制裝置所輸出的外部噪聲的估計值的誤差量被輸入到求和裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一活動物體的狀態(tài)控制方法。它由以下部分組成針對外部噪聲的一活動物體所固有的導(dǎo)航動力系統(tǒng)；一用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)的致動器；用于輸出控制信號，以根據(jù)來自導(dǎo)航動力系統(tǒng)的預(yù)定的第一輸出信號來驅(qū)動致動器的第一控制裝置；和用于輸出控制信號，以在前饋控制中根據(jù)外部噪聲來將一外部噪聲的估計值加到第一控制裝置所輸出的控制信號中以控制致動器的求和裝置；以及一第二控制裝置。該方法由以下步驟組成輸出一基于、由第二控制裝置的導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出預(yù)定的第二信號的外部噪聲估計值的誤差量；對求和裝置輸入一外部噪聲估計值的誤差量值；輸出一致動器控制信號，以補償來自求和裝置的外部噪聲估計值的誤差量。
根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制設(shè)備及其狀態(tài)控制方法采用上述的技術(shù)構(gòu)成，因此，應(yīng)用于航天器1的干擾被預(yù)測，而必要的干擾補償數(shù)據(jù)被實時地應(yīng)用到致動器中。于是，達到縮短設(shè)計和研制時間周期目的、并具有高精度和低費用的活動物體狀態(tài)控制設(shè)備被實現(xiàn)了。


圖1是一方塊圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備的特例的構(gòu)成；圖2是一方塊圖，更詳細示出了根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備的特例的構(gòu)成；圖3是一圖解，示出了根據(jù)本發(fā)明的一控制方法的原理；圖4(A)、4(B)、4(C)、4(D)和4(E)都是曲線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制方法的效果；圖5是一曲線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制方法與一常規(guī)實例的比較；圖6(A)、6(B)和6(C)都是曲線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制方法的效果；而圖7是一方塊圖，示出了一活動物體的常規(guī)控制設(shè)備的特例。
參照附圖，對根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備及其狀態(tài)控制方法的特例的構(gòu)成給以詳細說明。
進一步，盡管根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20將在以下主要以航天器為例子而加以說明，但根據(jù)本發(fā)明的活動物體并不局限于航天器，而本發(fā)明可自然應(yīng)用于每一活動物體的狀態(tài)控制。
圖1是一方塊圖，說明了根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20構(gòu)成的特例。圖中，一活動物體的狀態(tài)控制設(shè)備20是由以下構(gòu)成針對外部噪聲的活動物體所固有的導(dǎo)航動力系統(tǒng)2；用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)2的致動器5；用于輸出控制信號、以便根據(jù)來自導(dǎo)航動力系統(tǒng)2、通過姿態(tài)傳感器3所輸出的預(yù)定的第一輸出信號O1來驅(qū)動致動器5的第一控制裝置4；和求和裝置10，以便將外部噪聲的估計值q和第一控制裝置4所輸出的控制信號相加，并輸出一控制信號u，從而在前饋控制中根據(jù)外部噪聲來控制致動器5。根據(jù)本發(fā)明，狀態(tài)控制設(shè)備20進一步由第二控制裝置9所構(gòu)成，以輸出一基于預(yù)定的第二信號O2的外部噪聲估計值的誤差量，而第二信號O2是由導(dǎo)航動力系統(tǒng)通過姿態(tài)傳感器3所輸出的。其中，由第二控制裝置9所輸出的外部噪聲估計值的誤差量被進一步輸入到求和裝置10。
也就是說，盡管獲得姿態(tài)精度仍依賴于以上描述的常規(guī)的前饋系統(tǒng)，本發(fā)明卻不同于常規(guī)技術(shù)的一種方法，其中，當在建立通信同步或通過中斷處理而連續(xù)地接收時，用于補償驅(qū)動端輸出數(shù)據(jù)(角或角速度數(shù)據(jù)之類)的角動量或轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了干擾。該干擾被連續(xù)計算，并輸出到反應(yīng)轉(zhuǎn)輪，即致動器中。而本發(fā)明是一個系統(tǒng)，其中，前饋控制使得與驅(qū)動端的接口能達到補償干擾轉(zhuǎn)矩約90％的目標。亦即，被干擾轉(zhuǎn)矩補償器不能消除的誤差及不能被補償?shù)氖Ｓ喔蓴_都被一姿態(tài)系統(tǒng)的控制回路所補償了。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明建立了一個系統(tǒng)，其中，一個較小的反饋回路被用于較可觀地減小常規(guī)系統(tǒng)中的估計誤差的情形，并會聚由估計誤差中的剩余部分對目標姿態(tài)(=0)所產(chǎn)生的變化。亦即，第二控制裝置9被與通用的主反饋回路并列安裝，于是，第一控制裝置4和第一及第二控制裝置4和9的輸出都被輸出到反應(yīng)轉(zhuǎn)輪5，而構(gòu)成航天器1的致動器。
在此情況下，前饋信號可以進一步被加入第一控制裝置4和第二控制裝置9，也可不被加入。這有賴于具體情況。
當前饋信號被加入到上述的控制裝置時，較小的反饋回路補償前饋信號的剩余部分。當前饋信號不被加入時，較小的反饋回路補償主反饋回路的剩余部分。
所以，根據(jù)本發(fā)明，通過加入較小的反饋回路，即第二控制裝置9，一用于使得目標姿態(tài)(=0)和觀測到的姿態(tài)之間的差為0的補償轉(zhuǎn)矩即被加入到系統(tǒng)中。而與僅具前饋控制的常規(guī)姿態(tài)控制系統(tǒng)相比，由在前饋控制中的誤差或是由一柔性的附件所引入的振動幅度(這在常規(guī)系統(tǒng)中常常造成很大的問題)所引起的姿態(tài)變化便被限制在很低的范圍內(nèi)，并能快速會聚。
亦即，本發(fā)明的特點在于，為了改善常規(guī)系統(tǒng)中的缺陷，前饋控制的精度并未被強調(diào)，本發(fā)明的主要目標在于通過一較小的回路控制系統(tǒng)的前饋控制，即第二控制裝置9來積極地消除在常規(guī)系統(tǒng)中不可能被消除的干擾，并且相應(yīng)地，對驅(qū)動系統(tǒng)的允差要求和通信時間的同步要求大大地降低了。
圖2是一個方塊圖，進一步詳細介紹了圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20的構(gòu)成圖，并且，提供了本發(fā)明中所用的導(dǎo)航動力系統(tǒng)2的構(gòu)成，如圖2中點劃線所包圍的部分。
這是一種非常普通的構(gòu)成。
并且，當?shù)诙刂蒲b置9使用求和裝置10的輸出值作為反饋值、以計算外部噪聲估計值的誤差量時，本發(fā)明是優(yōu)選的。
并且，當從導(dǎo)航動力系統(tǒng)2輸出、并輸入到第一控制裝置4的預(yù)定的第一輸出信號O1是活動物體1的旋轉(zhuǎn)角度信息的一估計值θ^]]>(θhat)，而從導(dǎo)航動力系統(tǒng)2輸出、并輸入到第二控制裝置9的預(yù)定的第二輸出信號O2是活動物體1的角加速度信息的一估計值(θ·^]]>的差值的hat,(θdothat))時，本發(fā)明是優(yōu)選的。
另外，根據(jù)本發(fā)明，活動物體1代表包括航天器在內(nèi)的所有活動物體。
如上所述，盡管各種噪聲都被作為干擾而加到活動物體1上，特別地，當活動物體1是一衛(wèi)星時，本發(fā)明適宜處理由加載于衛(wèi)星上、卻不依賴于衛(wèi)星驅(qū)動的子系統(tǒng)或一柔結(jié)構(gòu)所引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩所造成的干擾，例如天線、太陽能電池板之類的靈活結(jié)構(gòu)。
并且，根據(jù)本發(fā)明的活動物體1的狀態(tài)控制的主要部分就是活動物體1的姿態(tài)控制。
根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20的組成及操作，將參照圖2給以進一步說明。
在圖2中，由一方向系統(tǒng)(如天線)或攝像機之類的柔性的動力系統(tǒng)所引入的驅(qū)動干擾d0被加入到致動器5和導(dǎo)航動力系統(tǒng)2之間。
如此的一干擾d0被當作一顯著的干擾顯示出來，并代表加到衛(wèi)星和內(nèi)部的所有干擾。然而，其值卻不能被測量。
同時，根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20具有一姿態(tài)確定系統(tǒng)23，它由姿態(tài)傳感器22和陀螺包(慣性參考設(shè)備)21這兩部分所確定。其中，姿態(tài)傳感器22用于探測衛(wèi)星1的姿態(tài)角，而陀螺包21用于探測姿態(tài)速率(角速度)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，該姿態(tài)確定系統(tǒng)并不一定必需上述兩部分來確定。在本發(fā)明中，姿態(tài)速率可通過其它方法來測量。
根據(jù)本發(fā)明，從姿態(tài)確定系統(tǒng)23所規(guī)定輸出的是第一輸出信號O1和第二輸出信號O2，兩者都被輸入到第一控制裝置4。第一輸出信號O1是活動物體1旋轉(zhuǎn)角度信息的估計值θ^]]>(θhat)，該估計值由導(dǎo)航動力系統(tǒng)2輸出的角度信息所決定。而第二輸出信號O2是活動物體1角加速度信息的估計值(θ·^]]>的差值的hat,(θdot hat))，該估計值由導(dǎo)航動力系統(tǒng)2輸出的角加速度信息所決定。
上述衛(wèi)星1的姿態(tài)角信息和姿態(tài)速率(角速度)是通過眾所周知的方法由導(dǎo)航動力系統(tǒng)2所輸出的。進一步，根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20提供了一主回路控制系統(tǒng)，即第一控制裝置4，用以計算來自第一輸出信號O1的控制輸出，該第一輸出信號就是姿態(tài)角度信息?？刂圃O(shè)備20也提供了一較小的回路控制系統(tǒng)，即第二控制裝置9，用以通過第二輸出信號O2來增強主回路控制系統(tǒng)，該第二輸出信號就是姿態(tài)速率信息?？刂圃O(shè)備20還提供了一反應(yīng)轉(zhuǎn)輪，即致動器5，用以產(chǎn)生實際的控制轉(zhuǎn)矩。
所以，根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20，在第一控制裝置4中執(zhí)行正常的PID補償控制，而在分開安裝的第二控制裝置中干擾的估計值不被看作完全精確的值，對應(yīng)于干擾估計值的一誤差量的估計值通過使用預(yù)定的函數(shù)被計算，該值被用作補償干擾估計值的誤差量的數(shù)據(jù)。
如上所提及，常規(guī)地，“開環(huán)前饋補償”通常被用來實現(xiàn)驅(qū)動干擾的補償。
根據(jù)這樣的一個系統(tǒng)，姿態(tài)控制設(shè)備通過通信接收到驅(qū)動系統(tǒng)的一探測信號，例如，由編碼器或一判決器所測得的角度值，然后，計算驅(qū)動系統(tǒng)從慣性時刻起產(chǎn)生的角動量或轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量和位置引力中心，并加入與控制設(shè)備或反應(yīng)轉(zhuǎn)輪驅(qū)動器符號相反的角動量或轉(zhuǎn)矩。由于以上所述問題的存在，這樣的一個常規(guī)系統(tǒng)是不被優(yōu)選的。
以下描述了根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備中所用的一控制方法的過程及其算法。
根據(jù)本發(fā)明的姿態(tài)控制設(shè)備的一輸出指令值(轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩命令)被指定為符號u。
當?shù)谝豢刂蒲b置4所輸出的一輸出信號被指定為符號G1(s)，則輸出信號G1(s)如以下等式(1)所示。[等式1]G1(s)=[Kp+KisKd]θ^θ·^(1)]]>等式1是一個眾所周知的函數(shù)，符號K表示一相關(guān)系數(shù)，而符號s表示拉普拉斯(Laplace)變換器。
根據(jù)本發(fā)明的第二控制裝置9所輸出的一輸出信號被指定為符號G2(s)，則輸出信號G2(s)如以下等式(2)所示。[等式2]G2(s)=αβγ(s-α)(s-β)(s-γ)[-(1W(s))IsS---1]θ·^u]]>等式(2)的左端顯示的是一個低通濾波器的函數(shù)，而符號α,β和γ表示相關(guān)的常數(shù)。
因此，為方便起見，等式僅表示了一個通用的三階低通濾波器。實際上，任何形式低通濾波器都可以使用。
等式(2)中的符號W(s)表示了如以下等式(3)所示的一變換函數(shù)，它指明相對于控制設(shè)備的輸出命令u，轉(zhuǎn)輪的輸出Tw被延遲了一個時間常數(shù)。
以上等式(2)中的符號Is表示了包括航天器在內(nèi)的活動物體1的慣性時刻。
而且，如上所述，等式(2)是一個特為本發(fā)明所設(shè)置的一控制函數(shù)。[等式3]W(s)=Twu=1tws+1]]>從等式(2)可顯見，根據(jù)本發(fā)明，在較小的回路反饋系統(tǒng)中，即第二控制裝置9中，它本身的一個輸出被使用了。通過使用這樣的控制數(shù)據(jù)(如等式(4)所示)，干擾(另一驅(qū)動系統(tǒng)干擾+槳振動干擾之類)估計值的一誤差值(qhat)被加到轉(zhuǎn)輪的后部(姿態(tài)動力系統(tǒng)的前部)，亦即，干擾q的補償轉(zhuǎn)矩被由控制輸出u、衛(wèi)星的慣性時刻(Is)和被測速率的估計值θ·^]]>(θdot hat)所估計出來。[等式4]q^=u-(tws+1)Issθ·^]]>因此，本發(fā)明的一個特點就是用于第二控制裝置的干擾估計值的誤差量是用所有已知的信息計算出來的。換句話說，不需要另外的傳感器。而且，等式(4)的第二部分基本上等于干擾的估計值。
根據(jù)本發(fā)明，上述的等式(4)被低通濾波器(系數(shù)由等式(2)右邊的第一部分所代表)相乘，以使之更合適。其乘積加上負號后與轉(zhuǎn)輪反向模型相乘，結(jié)果被加入到主回路反饋系統(tǒng)，即第一控制裝置4，作為抵消干擾的轉(zhuǎn)矩。
低通濾波器不對系統(tǒng)響應(yīng)延遲產(chǎn)生影響，卻表明對較小的反饋回路即第二控制裝置9有影響的頻率范圍是有規(guī)定的。
因此，本發(fā)明的較小的反饋組能限制具有較大絕對值的總體干擾、常規(guī)上對衛(wèi)星移動精度產(chǎn)生有害影響的低頻，以及活動槳之類的大的軟振動。
根據(jù)本發(fā)明的上述一活動物體狀態(tài)控制方法的原理在圖3中給予了總結(jié)。
進一步，圖4(A)、4(B)、4(C)、4(D)和4(E)顯示了當應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制方法時，干擾估計值的誤差量被有效和精確地消除的過程。
圖4(A)中的曲線a表明了應(yīng)用于活動物體1的姿態(tài)系統(tǒng)上的實際干擾轉(zhuǎn)矩q的變化，曲線b表明了計算出的前饋轉(zhuǎn)矩F(估計的干擾轉(zhuǎn)矩)，它在常規(guī)的前饋估計電路6中是被估計出的。
圖4(B)中的曲線c表明了一誤差Δq，它是由加到活動物體1的實際干擾q中減去干擾F所得到的(Δq=q-F)。在常規(guī)前饋計算中，F(xiàn)是估計出的。
圖4(C)中的曲線表明了由誤差Δq所引起的角速度(θdot hat)，亦即，速率的變化，它顯示出剩余部分使得系統(tǒng)精度變差。
圖4(D)中的曲線表明相應(yīng)于干擾估計值誤差的剩余差值校正轉(zhuǎn)矩(q hat)。根據(jù)本發(fā)明，該干擾估計值誤差是利用等式(4)計算出來的。
比較圖4(D)中的曲線e和圖4(B)中的曲線c，可發(fā)現(xiàn)兩者在精度上是相當一致的。
另外，圖4(E)中的曲線顯示了運用如圖2所示的、根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20完成圖4(D)中曲線e的控制操作后，姿態(tài)速率所產(chǎn)生的變化。亦即，它顯示了使用對應(yīng)于干擾估計值誤差量的補償數(shù)據(jù)后的處理結(jié)果。
由圖4(E)可以顯而易見，通過使用根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制方法，活動物體1的姿態(tài)能極其精確地被控制，以抗拒干擾。
根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20和一活動物體狀態(tài)控制方法采用了上述的技術(shù)構(gòu)成。相應(yīng)地，通過加入與干擾q大小相等、方向相反的補償轉(zhuǎn)矩，控制精度和姿態(tài)穩(wěn)定性能相當大地被改進了。干擾q是由驅(qū)動系統(tǒng)或靈活結(jié)構(gòu)所引起的，而按等式(4)計算出的補償轉(zhuǎn)矩(qhat)被實時加到致動器中。在簡單前饋處理情況下，這一補償沒有時延。
而且，根據(jù)本發(fā)明，分配了驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)的精細的范圍，這是提高精度和諸如通信同步之類接口的前提。
而且，當被由閉環(huán)中的干擾到姿態(tài)誤差的誤差特性所表示時，根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20很易被理解。
圖5將運用根據(jù)本發(fā)明的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備的一活動物體狀態(tài)控制的實際狀態(tài)與常規(guī)的方法進行了比較。圖中，曲線F顯示了根據(jù)本發(fā)明來限制干擾的效果，而曲線G顯示了運用一活動物體常規(guī)的狀態(tài)控制設(shè)備、并且運用PID控制和前饋控制(補償精度90％)時限制姿態(tài)誤差干擾的效果。
而且，用作輸入的僅是所測得的姿態(tài)速率值和一次采樣操作前控制系統(tǒng)的輸出，它們不構(gòu)成計算機的計算負荷。
圖5的坐標表明相對于距離大小的一姿態(tài)誤差角度，而abscissa表明應(yīng)用于活動物體上的干擾頻率。
從圖5顯見，與常規(guī)的例子相比，在相同的干擾量條件下，根據(jù)本發(fā)明，對于0.001到0.1Hz這一對姿態(tài)精度最重要的頻率范圍來說，精度可提高到常規(guī)例子中的1/10到1/100。
亦即，很明顯，通過使用本發(fā)明的設(shè)備，低頻范圍(等于或低于姿態(tài)系統(tǒng)控制頻段)的誤差特性被顯著提高，而在高頻段的靈活槳模式的峰值被消除了。因此，即使在驅(qū)動系統(tǒng)操作時，由前饋控制的剩余差值部分所引起的姿態(tài)變化也被減少了，同時，在諸如活動槳之類的靈活結(jié)構(gòu)的自然頻率的變化情況下，大致的也能實現(xiàn)提高精度。
圖6(A)、6(B)和6(C)顯示了控制精度提高和姿態(tài)穩(wěn)定度提高的分析結(jié)果。
圖6(A)顯示了應(yīng)用于活動物體1驅(qū)動系統(tǒng)上的一操作角度的例子，而圖6(B)顯示了當圖6(A)的一驅(qū)動控制信號應(yīng)用于活動物體1上時，在活動物體狀態(tài)控制系統(tǒng)上所引起的姿態(tài)控制誤差信號(角度)。曲線H表明一常規(guī)控制方法中僅使用前饋處理時的姿態(tài)誤差，而曲線I表明根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制系統(tǒng)所導(dǎo)致的姿態(tài)誤差。
從曲線可顯見，與常規(guī)方法相比，根據(jù)本發(fā)明的活動物體狀態(tài)控制系統(tǒng)，姿態(tài)誤差信號被顯著減少。如圖6(C)所示，其結(jié)果是應(yīng)用于致動器上的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩命令被形成，就在驅(qū)動活動物體1之前，與活動物體旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩被應(yīng)用，并立即在活動物體1停止旋轉(zhuǎn)之前被形成，一相反方向的轉(zhuǎn)矩被應(yīng)用。
也就是說，不特別要求致動器能進行急劇動作。與常規(guī)致動器等效的致動器(在此情況下為轉(zhuǎn)輪)就足夠了。
因此，根據(jù)本發(fā)明，包括干擾的活動物體的姿態(tài)控制能被精確實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1．一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，由以下構(gòu)成針對外部噪聲的活動物體所固有的一導(dǎo)航動力系統(tǒng)；驅(qū)動所述導(dǎo)航動力系統(tǒng)的一致動器；第一控制裝置，響應(yīng)于由導(dǎo)航動力系統(tǒng)輸出的預(yù)定的第一輸出信號而輸出一驅(qū)動致動器的控制信號；和求和裝置，用于輸出控制信號，以便響應(yīng)于外部噪聲，通過在由第一控制裝置所輸出的控制信號上加入一外部噪聲的估計值而在前饋控制中控制致動器；其特征在于進一步包括以下結(jié)構(gòu)第二控制裝置，基于第二控制裝置中的導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出的預(yù)定的第二信號，輸出一外部噪聲估計值的誤差量；其中，第二控制裝置所輸出的外部噪聲估計值的誤差量被輸入到所述求和裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于所述第二控制裝置在計算外部噪聲估計值的誤差量時，使用來自求和裝置的一輸出值作為反饋值。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于由導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出的并輸入到第一控制裝置的預(yù)定的第一輸出信號是活動物體角度信息的一估計值，而由導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出的并輸入到第二控制裝置的預(yù)定的第二輸出信號是活動物體角加速度信息的一估計值。
4．根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于活動物體是一航天器。
5．根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一權(quán)利要求的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于外部噪聲主要是由柔性結(jié)構(gòu)所引起的。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于所述柔性結(jié)構(gòu)是一天線或一太陽能電池活動帆板。
7．根據(jù)權(quán)利要求1到6中任一權(quán)利要求的一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備，其特征在于活動物體狀態(tài)控制就是活動物體的姿態(tài)控制。
8．一活動物體狀態(tài)控制方法，所述活動物體包括針對外部噪聲的一活動物體所固有的導(dǎo)航動力系統(tǒng)；一用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)的致動器；一輸出控制信號，以根據(jù)預(yù)定的、來自導(dǎo)航動力系統(tǒng)的第一輸出信號來驅(qū)動致動器的第一控制裝置；和一輸出控制信號，以在前饋控制中根據(jù)外部噪聲來將一外部噪聲的估計值加到第一控制裝置所輸出的控制信號中以控制致動器的求和裝置；以及一第二控制裝置，所述方法包括以下步驟基于由第二控制裝置的導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出第二預(yù)定信號輸出外部噪聲估計值的誤差量；對求和裝置輸入一外部噪聲估計值的誤差量值；和輸出一致動器控制信號，以補償來自求和裝置的外部噪聲估計值的誤差量。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的一活動物體狀態(tài)控制方法，其特征在于所述第二控制裝置利用從導(dǎo)航動力系統(tǒng)輸出的預(yù)定的第二信號和所述加和裝置的一輸出值計算外部噪聲估計值的誤差量值作為一輸入值。
10．一活動物體狀態(tài)控制方法，所述活動物體包括針對外部噪聲的一活動物體所固有的導(dǎo)航動力系統(tǒng)；一用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)的致動器一輸出控制信號，以根據(jù)預(yù)定的、來自導(dǎo)航動力系統(tǒng)的第一輸出信號來驅(qū)動致動器的第一控制裝置；和一輸出控制信號，以在前饋控制中根據(jù)外部噪聲來將一外部噪聲的估計值加到第一控制裝置所輸出的控制信號中以控制致動器的求和裝置；以及一第二控制裝置，所述方法包括以下步驟第一步，輸入一由第二控制裝置的導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出的預(yù)定的第二信號；第二步，輸入一求和裝置的輸出值；第三步，通過使用預(yù)定的函數(shù)，計算外部噪聲估計值的誤差量值；和第四步，將所計算的外部噪聲估計值的誤差量值加載到所述加和裝置上。
11．根據(jù)權(quán)利要求8到10中任一權(quán)利要求的一活動物體狀態(tài)控制方法，其中由導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出、并輸入到第一控制裝置的預(yù)定的第一輸出信號是活動物體角度信息的一估計值，而由導(dǎo)航動力系統(tǒng)所輸出、并輸入到第二控制裝置的預(yù)定的第二輸出信號是活動物體角加速度信息的一估計值。
12．根據(jù)權(quán)利要求8到10中任一權(quán)利要求的一活動物體狀態(tài)控制方法，其活動物體是一航天器。
全文摘要
提供一種廉價的航天器姿態(tài)控制設(shè)備和姿態(tài)控制方法,一活動物體狀態(tài)控制設(shè)備20由以下構(gòu)成;一導(dǎo)航動力系統(tǒng)2;一致動器5,用于驅(qū)動導(dǎo)航動力系統(tǒng)2;一第一控制裝置4,以便對應(yīng)于導(dǎo)航動力系統(tǒng)2輸出的第一輸出信號O1在PID控制中控制致動器5;和一求和裝置10,以便對應(yīng)于外部噪聲、通過對第一控制裝置4輸出的控制信號加入一外部噪聲估計值q、輸出一控制信號從而在前饋控制中控制致動器5。
文檔編號B64G1/28GK1221695SQ9811175
公開日1999年7月7日 申請日期1998年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月24日
發(fā)明者關(guān)根功治 申請人:日本電氣株式會社