專利名稱：一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星控制技術(shù)研究領(lǐng)域。特別涉及一種基于衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，系統(tǒng)的不確定性很強(qiáng)，而衛(wèi)星姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度要求更高。傳統(tǒng)的姿態(tài)控制方法日益無(wú)法滿足現(xiàn)代衛(wèi)星平臺(tái)所能達(dá)到的指標(biāo)要求，因此以模糊控制為首的智能控制方法越來(lái)越得到重視和發(fā)展。智能控制基本不依賴控制對(duì)象的模型，并且具有自我學(xué)習(xí)的能力，因此具有很好的魯棒性和自適應(yīng)能力，對(duì)于處理衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)的模型不確定性和非線性性具有優(yōu)勢(shì)。模糊控制器因其清晰明了的語(yǔ)言性描述和優(yōu)越的控制性能在最近20年得到很大關(guān)注，但是由于模糊控制器的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則設(shè)定的復(fù)雜性，使得模糊控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是研究人員致力研究的問(wèn)題。在衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器設(shè)計(jì)中，一般采用手動(dòng)試湊方式進(jìn)行模糊隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)。這種手動(dòng)試湊的方法效率極低，并且模糊控制器無(wú)法對(duì)控制對(duì)象的變化作出自我調(diào)整，自適應(yīng)能力和魯棒性都較差。為了簡(jiǎn)化模糊控制器的設(shè)計(jì)工作，一系列參數(shù)優(yōu)化方法被用于模糊控制器的設(shè)計(jì)，如模擬退火算法，粒子群優(yōu)化算法等等。模擬退火算法是受退火這一物理過(guò)程啟發(fā)而來(lái)，模擬退火算法的中心思想是將目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題比擬成金屬物體，隨著溫度的逐漸降低，不斷求取目標(biāo)函數(shù)的值，并依據(jù)Metropolis準(zhǔn)則獲得能量最小的理想狀態(tài)，從而描述這樣一個(gè)全局最佳尋優(yōu)過(guò)程。粒子群優(yōu)化算法是跟蹤每個(gè)粒子拓?fù)溧従又械淖罴盐恢茫瑢?duì)粒子的速度和位置進(jìn)行更新，使得粒子趨于分簇，并最終獲得粒子個(gè)體的最優(yōu)位置和全局最優(yōu)解。目前對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在如下問(wèn)題(1)單獨(dú)使用模擬退火算法進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器設(shè)計(jì)時(shí)，模擬退火算法難以承擔(dān)模糊控制器較大的計(jì)算量，優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程效率低；(2)單獨(dú)使用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器設(shè)計(jì)時(shí)，粒子群優(yōu)化算法的位置和速度的更新公式容易導(dǎo)致優(yōu)化進(jìn)程過(guò)早收斂，使得算法進(jìn)程陷入局部最優(yōu)；(3)粒子群優(yōu)化算法與其他優(yōu)化算法相結(jié)合已經(jīng)得到很多關(guān)注，但是這些算法僅僅是對(duì)于粒子群優(yōu)化算法的位置和速度更新規(guī)則的改進(jìn)，并沒有對(duì)粒子的操作提出改革性的舉措，對(duì)于解決大規(guī)模復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，不僅速度極慢，而且很難收斂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器設(shè)計(jì)方法的不足，提供一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法，采用基于改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)基于磁懸浮飛輪群的衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高精度和高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法，其特點(diǎn)在于建立基于磁懸浮飛輪群的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器，進(jìn)一步引入改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)姿態(tài)模糊控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的高精度和高穩(wěn)定度控制。具體包括以下步驟1、建立衛(wèi)星載體固連坐標(biāo)系和單個(gè)磁懸浮飛輪固連坐標(biāo)系；建立衛(wèi)星載體固連坐標(biāo)系(xb, yb, Zb),坐標(biāo)系原點(diǎn)位于載體質(zhì)量中心,衛(wèi)星固定有三個(gè)磁懸浮飛輪，以正交形式安裝；建立第j(j = 1,2, 3)個(gè)磁懸浮飛輪固連坐標(biāo)系(xwaJ, yw0J, zwsj),其中Zwsj表示第j個(gè)磁懸浮飛輪自轉(zhuǎn)軸方向單位向量,Xwaj和yw0j分別表示第j個(gè)磁懸浮飛輪徑向軸方向單位向量；2、基于步驟I建立磁懸浮飛輪群角動(dòng)量模型；自轉(zhuǎn)軸平行于Zb軸的磁懸浮飛輪W1相對(duì)于衛(wèi)星載體固連坐標(biāo)系的角動(dòng)量為
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于在衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標(biāo)系下建立基于磁懸浮飛輪群的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于此模型設(shè)計(jì)衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器，采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)姿態(tài)模糊控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；具體包括以下步驟①建立衛(wèi)星載體固連坐標(biāo)系和單個(gè)磁懸浮飛輪固連坐標(biāo)系；建立衛(wèi)星載體固連坐標(biāo)系(xb，yb，zb)，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于載體質(zhì)量中心，衛(wèi)星固定有三個(gè)磁懸浮飛輪，以正交形式安裝；建立第j(j = 1,2, 3)個(gè)磁懸浮飛輪固連坐標(biāo)系(xWaj, yw0J, zwsj),其中Zwsj表示第j個(gè)磁懸浮飛輪自轉(zhuǎn)軸方向單位向量,xwaJ和ywfij表示第j個(gè)磁懸浮飛輪徑向軸方向單位向量；②基于步驟①建立磁懸浮飛輪群角動(dòng)量模型；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟⑦中采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法，具體步驟為(I)初始化；(1.1)將姿態(tài)模糊控制器中所有參數(shù)設(shè)為解向量Sci,初始化參數(shù)解向量S0 ;所述所有參數(shù)包括隸屬度函數(shù)，模糊規(guī)則，和比例因子；(1.2)初始化N個(gè)粒子,通過(guò)隨機(jī)擾動(dòng)初始向量Sci為Si = S0+ λ · rand, i = I, 2,. . . , η其中Si表示第i個(gè)粒子，rand為隨機(jī)向量，其元素為平均分布在
間的隨機(jī)數(shù)，λ 是限制隨機(jī)數(shù)取值范圍的常系數(shù)；(1. 3)為優(yōu)化算法確定其他參數(shù),包括Boltzmann參數(shù)β，總循環(huán)次數(shù)iter,以及粒子數(shù)N;(2)評(píng)價(jià)粒子；(2.1)基于目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)每個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值，其中第t次重復(fù)中第i個(gè)粒子的適應(yīng)度函數(shù)值記為A(Si)；(2.2)基于適應(yīng)度函數(shù)值求出每個(gè)粒子權(quán)重為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制器參數(shù)優(yōu)化方法，屬于航天控制技術(shù)領(lǐng)域，在衛(wèi)星姿態(tài)參考坐標(biāo)系下建立含有磁懸浮飛輪群的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于磁懸浮飛輪群的航天器動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)姿態(tài)模糊控制器，引入改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)所設(shè)計(jì)的姿態(tài)模糊控制器進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明可以適用于衛(wèi)星姿態(tài)模糊控制系統(tǒng)中，不僅提高模糊控制器設(shè)計(jì)效率，而且提高衛(wèi)星姿態(tài)控制精度和穩(wěn)定度。
文檔編號(hào)G05D1/08GK103019099SQ20121054516
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者房建成, 彭聰, 崔培玲 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)