專利名稱：基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明公開了基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統及其控制方法，屬于航天器姿態(tài)控制的技術領域。
背景技術：
航天器姿態(tài)控制問題，因其重要的工程及學術價值，已經引起了人們極大的興趣，提出了多種多樣的航天器姿態(tài)控制方法和技術。航天器姿控系統對安全性有著極高的要求，而空間環(huán)境的不確定性，例如溫度變化、磁場變化、輻射變化、單粒子效應等因素，對航天器姿態(tài)控制系統的電子器件會產生不可忽視的影響，令其參數發(fā)生變化的分析，并可能進一步使得控制器、執(zhí)行器、傳感器等單元發(fā)生異常，無法正常運行，并進而使姿態(tài)控制的性能下降甚至使得系統不穩(wěn)定。針對器件不確定參數變化性對系統的影響，現有成果主要從兩種思路進行姿態(tài)控制的研究，(I)運用魯棒控制的方法，將不確定時變參數看成系統的外界擾動或不確定性，設計魯棒控制器，使得系統具有一定程度的抗干擾性；(2)運用自適應控制的方法，設計自適應機制去估計不確定時變參數，基于估計信息去調節(jié)控制器以補償這些不確定和干擾對系統的影響?；谏鲜鰞煞N思路的方法有一個共同的必要條件，就是基于完好的控制器，從而可以精確的實現所設計的控制律，并且控制律的實現不受不確定參數的影響。而航天器的控制單元也是由精密的電子器件構成，其性能同樣也會收到外界環(huán)境的影響，當控制單元本身也因為環(huán)境影響而帶有不確定性時變參數，并且控制律的實現與不確定性時變參數耦合的時候，現有方法便很難適用。在這種情況下，控制單元里的不確定時變參數對系統的影響很難被補償，任何控制律都無法在控制單元中精確的實現，姿態(tài)控制系統的穩(wěn)定性就很難保證，這給航天器的正常運行帶來很高的風險性。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統及其控制方法。本發(fā)明為實現上述發(fā)明目的采用如下技術方案:基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統，包括至少兩個控制器、識別器、切換器；所述識別器輸入端接被控系統輸出端，識別器輸出端接切換器；所述控制器中，有且只有一個控制器的輸出端接被控系統輸入端；所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統中還包括數目與控制器相同的估計器、數目與控制器相同的選擇開關，所述每個控制器通過一個選擇開關與一個估計器或者被控系統輸出端連接，識別器在控制器與被控系統輸出端連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器，估計器在控制器與估計器連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器；
所述切換器根據控制器鎮(zhèn)定信息，切換與被控系統輸入端連接的控制器。所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統中，估計器包括:反虛擬被控模塊、虛擬被控模塊、決策器，其中，所述反虛擬被控模塊輸入端、虛擬被控模塊輸入端分別與控制器輸出端連接，所述反虛擬被控模塊輸出端或者虛擬被控模塊輸出端與控制器輸入端連接，所述反虛擬被控模塊輸出端、虛擬被控模塊輸出端分別與所述決策器輸入端連接，決策器輸出端接切換器。所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法，采用如下步驟操作每一個控制器:步驟1，建立被控系統數學模型，以及考慮了不確定時變參數影響的控制器數學模型；步驟2，建立控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系；步驟3，檢測每一個控制器的連接情況，根據步驟2建立的控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系得到每一個控制器鎮(zhèn)定信息；步驟4，切換器根據步驟3所述的控制器鎮(zhèn)定信息發(fā)出切換指令，選擇一個控制器與被控系統連接。所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法中，步驟2的具體實施方法如下:步驟2-1，利用被控系統狀態(tài)量構建李雅普諾夫函數；步驟2-2，在步驟I所述的考慮了不確定時變參數影響的控制器數學模型的作用下，求解李雅普諾夫函數沿著被控系統數學模型軌跡的時間導數，將不確定時變參數取值劃分為鎮(zhèn)定被控系統取值域、非鎮(zhèn)定被控系統取值域。所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法中，步驟3利用如下步驟根據步驟2建立的控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系得到每一個控制器的鎮(zhèn)定信息:步驟A，在初始時刻連接控制器與虛擬被控模塊，檢測控制器與被控系統的連接關系:當控制器與被控系統連接時:斷開控制器與虛擬被控模塊的連接，直到控制器與被控系統斷開連接時，進入步驟C ;當控制器與被控系統斷開連接時，初始化虛擬被控模塊得到控制器鎮(zhèn)定信息:控制器鎮(zhèn)定被控系統時，進入步驟B，控制器不能鎮(zhèn)定被控系統時，進入步驟C ；步驟B，初始化虛擬被控模塊，利用虛擬被控模塊估計控制器鎮(zhèn)定信息，具體包括如下步驟:步驟B-1，控制器輸入纟而與虛擬被控|旲塊輸出纟而連接；步驟B-2，檢測到控制器與被控系統的連接狀況:當控制器與被控系統連接時，斷開控制器與虛擬被控模塊的連接，直到控制器與被控系統斷開連接時，進入步驟C ;當控制器與被控系統斷開連接，且控制器鎮(zhèn)定被控系統時，返回步驟B-1，否則，進入步驟C;步驟C，初始化反虛擬被控模塊，利用反虛擬被控模塊估計控制器鎮(zhèn)定信息，具體包括如下步驟:步驟C-1，控制器輸入端與反虛擬被控模塊輸出端連接；步驟C-2，在控制器鎮(zhèn)定被控系統時，返回步驟B，否則，返回步驟C-1。本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果:利用冗余控制器互補的特點，選取合適個數的控制器，并設計合適的切換律，使得航天器姿態(tài)控制系統在一組冗余控制器的切換控制下，依然能保持穩(wěn)定，從而克服了傳統控制方法在控制器帶有不確定時變參數的情況下很難鎮(zhèn)定系統的局限性，有效避免了單一控制器給航天器姿態(tài)控制系統運行帶來的高風險，對于航天器這種要求高可靠性的系統有著重要的實際意義。


圖1為基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的示意圖。圖2為與控制器i連接的估計器e i的設計示意圖。圖3為估計器識別控制器鎮(zhèn)定信息的流程圖。圖4為識別器Ip識別控制器鎮(zhèn)定信息的流程圖。圖5為切換器切換率的流程示意圖。圖6為仿真實施例中不確定時變參數的波形圖。圖7為仿真實施例中切換函數的波形圖。圖8為仿真實施例中慣性角速度三維向量的軌跡圖。圖9為仿真實施例中四元數的軌跡圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明:基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統如圖1所示，包括m個控制器、識別器Ip、切換器。識別器Ip輸入端接被控系統P輸出端，識別器Ip輸出端接切換器。有且只有一個控制器輸出端接被控系統P輸入端。本發(fā)明所涉及的基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統中還包括m個估計器、m個選擇開關，m為大于等于2的正整數。每個控制器通過一個選擇開關與一個估計器Ip或者被控系統P輸出端連接，識別器Ip在控制器與被控系統P輸出端連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器，估計器在控制器與估計器連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器。當控制器與估計器連接時，控制器以及與其連接的一個估計器、一個選擇開關組成的子單元中:估計器輸入端與控制器輸出端連接，估計器第一輸出端接切換器，估計器第二輸出端通過選擇開關與控制器輸入端連接。當控制器與被控系統P輸出端連接時，估計器輸入端與控制器輸出端連接，估計器第一輸出端接切換器，估計器第二輸出端通過選擇開關與被控系統P輸出端連接。切換器根據估計器輸出的控制器鎮(zhèn)定信息或者識別器Ip輸出的控制器鎮(zhèn)定信息得到切換指令，切換與被控系統P輸入端連接的控制器。與控制器i連接的估計器e i的設計如圖2所示，包括:反虛擬被控模塊AVP1、虛擬被控模塊VP1、決策器Ii。反虛擬被控模塊AVPi輸入端、虛擬被控模塊VPi輸入端分別與控制器i輸出端連接。反虛擬被控模塊AVPi輸出端或者虛擬被控模塊VPi輸出端與控制器i輸入端連接。反虛擬被控模塊AVPi輸出端、虛擬被控模塊VPi輸出端分別與決策器Ii輸入端連接，決策器Ii輸出控制器i的鎮(zhèn)定信息X i至切換器。i的取值范圍為:i < m。采用如下步驟操作每一個控制器:步驟1，建立被控系統數學模型，以及考慮了不確定時變參數影響的控制器數學模型:1、建立航天器的姿態(tài)控制系統(即為被控系統P)數學模型:
權利要求
1.基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統，包括至少兩個控制器、識別器、切換器； 所述識別器輸入端接被控系統輸出端，識別器輸出端接切換器； 所述控制器中，有且只有一個控制器的輸出端接被控系統輸入端； 其特征在于，所述基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統中還包括數目與控制器相同的估計器、數目與控制器相同的選擇開關，所述每個控制器通過一個選擇開關與一個估計器或者被控系統輸出端連接，識別器在控制器與被控系統輸出端連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器，估計器在控制器與估計器連接時輸出控制器鎮(zhèn)定信息至切換器； 所述切換器根據控制器鎮(zhèn)定信息，切換與被控系統輸入端連接的控制器。
2.根據權利要求1所述的基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統，其特征在于所述估計器包括:反虛擬被控模塊、虛擬被控模塊、決策器，其中， 所述反虛擬被控模塊輸入端、虛擬被控模塊輸入端分別與控制器輸出端連接，所述反虛擬被控模塊輸出端或者虛擬被控模塊輸出端與控制器輸入端連接，所述反虛擬被控模塊輸出端、虛擬被控模塊輸出端分別與所述決策器輸入端連接，決策器輸出端接切換器。
3.根據權利要求2所述的基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法，其特征在于，采用如下步驟操作每一個控制器: 步驟1，建立被控系統數學模型，以及考慮了不確定時變參數影響的控制器數學模型； 步驟2，建立控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系； 步驟3，檢測每一個控制器的連接情況，根據步驟2建立的控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系得到每一個控制器鎮(zhèn)定信息； 步驟4，切換器根據步驟3所述的控制器鎮(zhèn)定信息發(fā)出切換指令，選擇一個控制器與被控系統連接。
4.根據權利要求3所述的基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法，其特征在于，步驟2的具體實施方法如下: 步驟2-1，利用被控系統狀態(tài)量構建李雅普諾夫函數； 步驟2-2，在步驟I所述的考慮了不確定時變參數影響的控制器數學模型的作用下，求解李雅普諾夫函數沿著被控系統數學模型軌跡的時間導數，將不確定時變參數取值劃分為鎮(zhèn)定被控系統取值域、非鎮(zhèn)定被控系統取值域。
5.根據權利要求3或4所述的基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統的控制方法，其特征在于，步驟3利用如下步驟根據步驟2建立的控制器不確定時變參數變化與被控系統穩(wěn)定的關系得到每一個控制器的鎮(zhèn)定信息: 步驟A，在初始時刻連接控制器與虛擬被控模塊，檢測控制器與被控系統的連接關系:當控制器與被控系統連接時:斷開控制器與虛擬被控模塊的連接，直到控制器與被控系統斷開連接時，進入步驟C ; 當控制器與被控系統斷開連接時，初始化虛擬被控模塊得到控制器鎮(zhèn)定信息:控制器鎮(zhèn)定被控系統時，進入步驟B，控制器不能鎮(zhèn)定被控系統時，進入步驟C ； 步驟B，初始化虛擬被控 模塊，利用虛擬被控模塊估計控制器鎮(zhèn)定信息，具體包括如下步驟: 步驟B-1，控制器輸入端與虛擬被控模塊輸出端連接；步驟B-2，檢測到控制器與被控系統的連接狀況: 當控制器與被控系統連接時，斷開控制器與虛擬被控模塊的連接，直到控制器與被控系統斷開連接時，進入步驟C ; 當控制器與被控系統斷開連接，且控制器鎮(zhèn)定被控系統時，返回步驟B-1，否則，進入步驟C; 步驟C，初始化反虛擬被控模塊，利用反虛擬被控模塊估計控制器鎮(zhèn)定信息，具體包括如下步驟: 步驟C-1，控制器輸入端與反虛擬被控模塊輸出端連接； 步驟C-2，在控制器鎮(zhèn)定 被控系統時，返回步驟B，否則，返回步驟C-1。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于冗余控制器的航天器閉環(huán)姿態(tài)控制系統及其控制方法，屬于航天器姿態(tài)控制的技術領域。所述控制系統包括至少兩個控制器、識別器、切換器。估計器包括反虛擬被控模塊、虛擬被控模塊、決策器。所述控制方法在控制器與估計器連接時，由估計器估計控制器鎮(zhèn)定信息；在控制器與被控系統連接時，由識別器識別控制器鎮(zhèn)定信息；切換器根據控制器鎮(zhèn)定信息切換與被控系統連接的控制器。本發(fā)明克服了傳統控制方法在控制器帶有不確定時變參數的情況下很難鎮(zhèn)定系統的局限性，提高了航天器姿態(tài)控制系統運行的可靠性。
文檔編號G05D1/08GK103197554SQ20131008537
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權日2013年3月18日
發(fā)明者楊浩, 姜斌, 程月華, 周東華 申請人:南京航空航天大學