一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法
【專利摘要】一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法，涉及衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制方法，解決現(xiàn)有針對(duì)撓性衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)時(shí)，具有強(qiáng)非線性、受多種約束以及撓性附件易振動(dòng)的特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致難以滿足控制需求等問(wèn)題，建立了包含衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及撓性附件振動(dòng)的非線性狀態(tài)空間方程，用于進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)未來(lái)信息的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。建立了衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)及抑制撓性附件振動(dòng)的加權(quán)優(yōu)化指標(biāo)，利用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行期望控制律的設(shè)計(jì)，基于輸入成形技術(shù)，對(duì)規(guī)劃的期望力矩進(jìn)行成形，采用魯棒偽逆法設(shè)計(jì)CMG群的操縱律，以輸入成形后的期望控制力矩為輸入，規(guī)劃出每個(gè)CMG的框架角速度，實(shí)現(xiàn)抑制撓性附件振動(dòng)的衛(wèi)星姿態(tài)大角度快速機(jī)動(dòng)控制。
【專利說(shuō)明】一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制方法， 特別適用于具有撓性附件衛(wèi)星姿態(tài)的大角度快速機(jī)動(dòng)控制過(guò)程。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間航天任務(wù)規(guī)劃的快速發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)具有短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大角度快速機(jī) 動(dòng)的能力需求日益增加，即需要衛(wèi)星具有姿態(tài)的敏捷性。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，這種具有快速機(jī) 動(dòng)能力的衛(wèi)星可以極大增加對(duì)地觀測(cè)的范圍，增加與地面站的通信時(shí)間，并為多種空間靈 巧成像模式提供保障。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)的快速機(jī)動(dòng)，一方面是采用新型的大力矩衛(wèi)星姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 另一方面是采用先進(jìn)的衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制方法?？刂屏赝勇萃ㄟ^(guò)改變轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量方向 而產(chǎn)生控制力矩，相比于反作用飛輪來(lái)講，輸出控制力矩得到了放大，但如何設(shè)計(jì)能夠規(guī)避 奇異性的操縱律算法成為CMG應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)。另外，衛(wèi)星姿態(tài)在進(jìn)行大角度快速機(jī)動(dòng)時(shí)， 衛(wèi)星的動(dòng)力學(xué)特性表現(xiàn)出強(qiáng)非線性，基于線性化模型的控制方法已難以滿足控制需求，同 時(shí)，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)力矩輸出能力有限，輸出力矩幅值和增量等均受約束，這 也為控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。此外，由于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)布局的日益復(fù)雜化，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的撓性動(dòng) 態(tài)日益突出，尤其是像太陽(yáng)帆板及大型天線的撓性。衛(wèi)星姿態(tài)在進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)時(shí)，容易引起 撓性附件的振動(dòng)，導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)在機(jī)動(dòng)過(guò)程中或機(jī)動(dòng)完成后不能快速的穩(wěn)定，不能快速的 達(dá)到成像需求，限制了敏捷衛(wèi)星的應(yīng)用。
[0004] 綜上所述，基于CMG的撓性衛(wèi)星姿態(tài)大角度快速機(jī)動(dòng)控制技術(shù)成為敏捷衛(wèi)星在軌 應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得格外的復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有針對(duì)撓性衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行快速機(jī)動(dòng)時(shí)，具有強(qiáng)非線性、受多種約 束以及撓性附件易振動(dòng)的特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致難以滿足控制需求等問(wèn)題，提供一種撓性敏捷衛(wèi) 星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法。
[0006] -種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0007] 步驟一、選擇慣性坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，建立以金字塔構(gòu)型CMG群為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 具有撓性附件的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；以撓性附件的模態(tài)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，建立撓 性附件振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)定義新的狀態(tài)變量，基于建立的三個(gè)方程獲得用于預(yù)測(cè)衛(wèi) 星姿態(tài)未來(lái)信息的非線性狀態(tài)空間方程；
[0008] 步驟二、對(duì)步驟一建立的非線性狀態(tài)空間方程進(jìn)行離散化后，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量 獲得的衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)及姿態(tài)角速度信息，建立衛(wèi)星姿態(tài)信息的預(yù)測(cè)輸出方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù) 測(cè)時(shí)域內(nèi)的衛(wèi)星姿態(tài)及角速度信息的預(yù)測(cè)；
[0009] 步驟三、根據(jù)步驟二獲得的衛(wèi)星姿態(tài)信息預(yù)測(cè)輸出方程，利用任務(wù)規(guī)劃姿態(tài)機(jī)動(dòng) 導(dǎo)引律輸出的期望四元數(shù)、期望角速度信息，建立兼顧衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)快速性及撓性附件振 動(dòng)抑制性能的優(yōu)化控制問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)該優(yōu)化控制問(wèn)題的求解，獲得期望的非線性模型預(yù)測(cè) 機(jī)動(dòng)控制力矩；根據(jù)步驟一建立的撓性附件振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，采用輸入成形技術(shù)，對(duì)所述 期望非線性模型預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)控制力矩進(jìn)行成形設(shè)計(jì)；
[0010] 步驟四、以成形設(shè)計(jì)后的機(jī)動(dòng)控制力矩作為輸入，采用魯棒違逆方法，建立求取金 字塔構(gòu)型CMG群框架角速度的優(yōu)化控制問(wèn)題，通過(guò)求解獲得金字塔構(gòu)型CMG群的框架角速 度操縱律，根據(jù)金字塔構(gòu)型CMG群的角動(dòng)量在衛(wèi)星姿態(tài)三軸的分解，獲得驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī) 動(dòng)的實(shí)際控制力矩；
[0011] 步驟五、采用離散控制技術(shù)，在每個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)步驟二至步驟四，通過(guò)逐步更新 衛(wèi)星姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)撓性衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的滾動(dòng)優(yōu)化控制。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)將非線性模型預(yù)測(cè)控制方法、輸入成形技術(shù)及控 制力矩陀螺的操縱律等方法相互融合，提出一種實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)大角度快速機(jī)動(dòng)且有效抑制 撓性附件振動(dòng)的控制方法。
[0013] 一、建立了包含衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及撓性附件振動(dòng)的非線性狀態(tài)空間方程， 用于進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)未來(lái)信息的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
[0014] 二、在考慮金字塔構(gòu)型CMG群力矩輸出能力約束條件下，建立了衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī) 動(dòng)及抑制撓性附件振動(dòng)的加權(quán)優(yōu)化指標(biāo)，利用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行期望控制律的 設(shè)計(jì)，兼顧了衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)性能和附件振動(dòng)的抑制性能。
[0015] 三、基于輸入成形技術(shù)，對(duì)規(guī)劃的期望力矩進(jìn)行成形，使得在完成衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)目 標(biāo)情況下，消除撓性附件殘余的振動(dòng)能量。
[0016] 四、采用魯棒偽逆法設(shè)計(jì)了金字塔構(gòu)型CMG群的操縱律，以輸入成形后的期望控 制力矩為輸入，規(guī)劃出每個(gè)CMG的框架角速度，實(shí)現(xiàn)抑制撓性附件振動(dòng)的衛(wèi)星姿態(tài)大角度 快速機(jī)動(dòng)控制。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明所述的一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法中敏捷衛(wèi)星 姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程不意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明所述的一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法中輸入成形 技術(shù)的原理圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明所述的一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法中金字塔構(gòu) 型CMG群中每個(gè)CMG的安裝方式及與衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的關(guān)系圖；
[0020] 圖4中a至f為采用本發(fā)明所述的一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法 的仿真效果圖。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0021] 一、結(jié)合圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾 動(dòng)優(yōu)化控制方法，該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0022] 步驟A :選定參考坐標(biāo)系，建立以金字塔構(gòu)型CMG群為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具有撓性附件的 衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并建立模態(tài)坐標(biāo)系下的撓性附件振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程；通過(guò) 定義新的狀態(tài)變量，建立用于預(yù)測(cè)衛(wèi)星姿態(tài)未來(lái)信息的非線性狀態(tài)空間方程；
[0023] 步驟B:根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻測(cè)得的衛(wèi)星姿態(tài)信息，通過(guò)離散化后的非線性狀態(tài)空間方 程，對(duì)預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的衛(wèi)星姿態(tài)信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立衛(wèi)星姿態(tài)的預(yù)測(cè)輸出方程；
[0024] 步驟C:考慮到金字塔構(gòu)型CMG群的四個(gè)框架伺服機(jī)構(gòu)的帶寬特點(diǎn)及控制能力，將 其轉(zhuǎn)化為輸出控制力矩的幅值約束和增量約束條件。建立包含衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)性能及抑制撓 性附件振動(dòng)的優(yōu)化控制問(wèn)題，且在考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)能力約束下優(yōu)化待設(shè)計(jì)的期望控制力矩， 獲得基于非線性模型預(yù)測(cè)控制的機(jī)動(dòng)控制力矩；
[0025] 步驟D :根據(jù)撓性附件振動(dòng)方程，利用輸入成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃期望控制力矩的成 形，在保證撓性衛(wèi)星按照期望的姿態(tài)目標(biāo)進(jìn)行機(jī)動(dòng)情況下，抑制撓性附件的殘余振動(dòng)。
[0026] 步驟E:依據(jù)金字塔構(gòu)型CMG群的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，求取其在衛(wèi)星三軸的角動(dòng)量，以魯棒 偽逆法建立求取CMG框架角速度的優(yōu)化指標(biāo)，通過(guò)選取合理的控制器參數(shù)，設(shè)計(jì)金字塔構(gòu) 型CMG群的操縱律，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行機(jī)動(dòng)。
[0027] 步驟F:依據(jù)離散控制技術(shù)原理，在每個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)步驟B至步驟E，通過(guò)反復(fù)更 新衛(wèi)星姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)撓性衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的滾動(dòng)優(yōu)化控制。

【具體實(shí)施方式】 [0028] 二、結(jié)合圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為一 所述的一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法的實(shí)施例，其具體過(guò)程為：
[0029] -、以慣性坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，建立的以金字塔構(gòu)型CMG群為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具有 撓性附件的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)為：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種撓性敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)滾動(dòng)優(yōu)化控制方法，其特征是，該方法由以下步驟實(shí) 現(xiàn)： 步驟一、選擇慣性坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，建立以金字塔構(gòu)型CMG群為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具有 撓性附件的衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；以撓性附件的模態(tài)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，建立撓性附 件振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)定義新的狀態(tài)變量，基于建立的三個(gè)方程獲得用于預(yù)測(cè)衛(wèi)星姿 態(tài)未來(lái)信息的非線性狀態(tài)空間方程； 步驟二、對(duì)步驟一建立的非線性狀態(tài)空間方程進(jìn)行離散化后，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻測(cè)量獲得 的衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)及姿態(tài)角速度信息，建立衛(wèi)星姿態(tài)信息的預(yù)測(cè)輸出方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)時(shí) 域內(nèi)的衛(wèi)星姿態(tài)及角速度信息的預(yù)測(cè)； 步驟三、根據(jù)步驟二獲得的衛(wèi)星姿態(tài)信息預(yù)測(cè)輸出方程，利用任務(wù)規(guī)劃姿態(tài)機(jī)動(dòng)導(dǎo)引 律輸出的期望四元數(shù)和期望角速度信息，建立兼顧衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)快速性及撓性附件振動(dòng)抑 制性能的優(yōu)化控制問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)該優(yōu)化控制問(wèn)題的求解，獲得期望的非線性模型預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng) 控制力矩；根據(jù)步驟一建立的撓性附件振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，采用輸入成形技術(shù)，對(duì)所述期望 非線性模型預(yù)測(cè)機(jī)動(dòng)控制力矩進(jìn)行成形設(shè)計(jì)； 步驟四、以成形設(shè)計(jì)后的機(jī)動(dòng)控制力矩作為輸入，采用魯棒違逆方法，建立求取金字塔 構(gòu)型CMG群框架角速度的優(yōu)化控制問(wèn)題，通過(guò)求解獲得金字塔構(gòu)型CMG群的框架角速度操 縱律，根據(jù)金字塔構(gòu)型CMG群的角動(dòng)量在衛(wèi)星姿態(tài)三軸的分解，獲得驅(qū)動(dòng)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的 實(shí)際控制力矩； 步驟五、采用離散控制技術(shù)，在每個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)步驟二至步驟四，通過(guò)逐步更新衛(wèi)星 姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)撓性衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的滾動(dòng)優(yōu)化控制。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK104090489SQ201410312779
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】金光, 范國(guó)偉, 戴路, 徐開(kāi), 楊秀彬, 常琳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所