衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性的自適應(yīng)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符 號(hào)不確定性的自適應(yīng)補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最快的尖端技術(shù)之一，其中，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展 對(duì)促進(jìn)人類(lèi)文明和社會(huì)進(jìn)步有著十分重要和積極的作用。作為現(xiàn)代衛(wèi)星最重要的組成部 分，姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)其性能和安全可靠性起著決定性的作用。衛(wèi)星是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 且長(zhǎng)時(shí)間工作在真空、失重、高低溫和強(qiáng)福射環(huán)境下，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)W及系統(tǒng)的元器件 都不可避免地會(huì)發(fā)生故障，輕微故障會(huì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到破壞，控制性能顯著下降，嚴(yán) 重故障則可能導(dǎo)致衛(wèi)星完全失效，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，而如何改善控制性能、提高 可靠性已經(jīng)成為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不得不考慮的問(wèn)題之一。未來(lái)先進(jìn)衛(wèi)星的控制系 統(tǒng)必須具備自主決策和自適應(yīng)容錯(cuò)能力，因此應(yīng)針對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠性控制進(jìn) 行研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)。
[0003] 對(duì)于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性問(wèn)題，專(zhuān)著"Space System Failures:Disasters and Rescues of Satellites, Rockets and Space Probes"（出片反 社；New York: Springer-Praxi ;出版日期；2006 ;作者；D.M.Harland,R.D. Lorenz)中指出 TIMED 衛(wèi)星（Thermosphere Ionosphere and Mesosphere Energetics and Dynamics，于 2011年12月7日在范登堡發(fā)射）和An化B1衛(wèi)星（于1978年12月5日在加拿大發(fā)射） 發(fā)生過(guò)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)反轉(zhuǎn)的問(wèn)題。產(chǎn)生執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)反轉(zhuǎn)的原因有很多，比如執(zhí)行器 電壓極性接反、或由于計(jì)算機(jī)故障引起的控制器產(chǎn)生符號(hào)相反的控制信號(hào)或者是衛(wèi)星工作 環(huán)境磁場(chǎng)極性發(fā)生反轉(zhuǎn)等。因此，如何補(bǔ)償衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性， 改善其控制性能是衛(wèi)星設(shè)計(jì)過(guò)程中不得不考慮的問(wèn)題之一。
[0004] 目前，用于檢測(cè)和辨識(shí)衛(wèi)星執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)反轉(zhuǎn)主要有：一是對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行詳盡 的地面測(cè)試，但該方法的檢測(cè)和辨識(shí)準(zhǔn)確性較低；（2)二是在軌發(fā)送開(kāi)環(huán)控制指令，對(duì)比實(shí) 際響應(yīng)和期望響應(yīng)，判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性反轉(zhuǎn)的執(zhí)行器，但是該方法需要大量耗時(shí)耗力的地 面干預(yù)。
[0005] 第S種用于補(bǔ)償衛(wèi)星執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性的控制方法是基于Nussbaum增益 的方法。如美國(guó)專(zhuān)利 US 8082047B1 "Adaptive control method that compensates for sign error in actuator response"，W及論文"Spacecraft control with uncertain control gain"(M. Sharma, Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Ontario Canada, AIAA 2010 - 7893, 2010)。上述方法在設(shè)計(jì)控制器 時(shí)，均是利用了與系統(tǒng)跟蹤誤差有關(guān)的正弦或余弦信號(hào)，使得控制信號(hào)持續(xù)跳變，從而導(dǎo)致 系統(tǒng)響應(yīng)較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)基于Nussbaum增益的控制方法存在的控制 信號(hào)持續(xù)跳變和瞬態(tài)響應(yīng)差的缺陷，提供一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性 的自適應(yīng)補(bǔ)償方法，使系統(tǒng)姿態(tài)角速度漸近跟蹤期望信號(hào)。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0008] -種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性的自適應(yīng)補(bǔ)償方法，所述的衛(wèi)星 姿態(tài)控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：
[001引其中；"X、是衛(wèi)星空間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在主慣量軸上的分量；毎、卻.、嗎是 ?,、勺導(dǎo)數(shù)是未知的主慣量軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)；U,、Uy、U,是由執(zhí)行器產(chǎn) 生的控制力矩，
[0013] 其特征在于，包括如下步驟：
[0014] 步驟一、依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器工作狀況，對(duì)其驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性進(jìn)行建 模，組成執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式集合；
[0015] 步驟二、基于所述的步驟一所建立的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式集合中的不同驅(qū)動(dòng)符號(hào) 模式分別設(shè)計(jì)不同的自適應(yīng)估計(jì)器，組成自適應(yīng)估計(jì)器集合，用于產(chǎn)生系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的狀態(tài) 估計(jì)信號(hào)集合、參數(shù)估計(jì)信號(hào)集合W及狀態(tài)估計(jì)誤差信號(hào)集合；
[0016] 步驟S、利用所述的步驟二所產(chǎn)生的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的狀態(tài)估計(jì)信號(hào)集合、參數(shù)估計(jì) 信號(hào)集合W及狀態(tài)估計(jì)誤差信號(hào)集合，對(duì)執(zhí)行器的不同驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式分別設(shè)計(jì)各自的自適 應(yīng)控制器，組成自適應(yīng)控制器集合；
[0017] 步驟四、利用步驟二所獲得的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)估計(jì)誤差信號(hào)集合，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控 制器之間的控制切換機(jī)制，包括；對(duì)執(zhí)行器不同驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式計(jì)算各自的性能指標(biāo)，組成性 能指標(biāo)集合；并實(shí)時(shí)辯識(shí)最小的性能指標(biāo)，用于產(chǎn)生控制切換信號(hào)；從所述步驟=設(shè)計(jì)的 自適應(yīng)控制器集合中選擇對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)控制器產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。
[0018] 在所述步驟一中，所述的根據(jù)執(zhí)行器工作狀況，所組成的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式集 合為：
[0019]
[0020]
[0021]
[00過(guò)其中；Vx、V V為控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)；
[0023] 參照所述組成的驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式集合，當(dāng)存在執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)不確定性時(shí)，衛(wèi)星姿 態(tài)控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：
[0024]
[0028] 在所述步驟二中，所述的針對(duì)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式集合中的不同驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式分 別設(shè)計(jì)不同的自適應(yīng)估計(jì)器，所組成的自適應(yīng)估計(jì)器集合為：
[003引其中：為W、乂乂是針對(duì)U)￡二Vy設(shè)計(jì)的估計(jì)器廣生的Wy、J"、Jyp的 估計(jì)信號(hào)；毎陽(yáng)、乂,.口|、乂P(2i是針對(duì)Ux=-VX設(shè)計(jì)的估計(jì)器產(chǎn)生的WX、Jxv、Jxp的 估計(jì)信號(hào)；句仙、山、山是針對(duì)Uy=Vy設(shè)計(jì)的估計(jì)器產(chǎn)生的《y、Jyv、JJ勺估 計(jì)信號(hào)；A",、?^。，口|是針對(duì)Uy=-Vy設(shè)計(jì)的估計(jì)器產(chǎn)生的《y、Jyv、Jyp的估計(jì) 信號(hào)；毎WJ:W,、是針對(duì)Uz=Vz設(shè)計(jì)的估計(jì)器產(chǎn)生的《z、Jzv、Jzp的估計(jì)信 號(hào)；毎p,、是針對(duì)Uz= -Vz設(shè)計(jì)的估計(jì)器產(chǎn)生的《z、Jzv、Jzp的估計(jì)信號(hào)； 毎(1|、毎陽(yáng)、冷(1)、口)、&z(l)、今(2)是毎(1)、間、*%(1)、冷(2)、晏(1)、今口)的導(dǎo)數(shù)； z.nii=巧:―命…、Z,口,毎(:,、2、,,。=巧'-卻",、Z，,…二份f式,切、與。=嗎_?…、 Z_-(2i=嗎-毎<2|是狀態(tài)估計(jì)誤差f目號(hào)；^ye、^ye、^ye是任意正實(shí)數(shù)。
[0033] 在所述步驟=中，所述的對(duì)執(zhí)行器的不同驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式分別設(shè)計(jì)各自的自適應(yīng)控 制器，所組成的自適應(yīng)控制器集合如下：
[0037] 其中；Vx山是針對(duì)Ux=VX設(shè)計(jì)的控制信號(hào)；Vx(2)是針對(duì)Ux=-VX設(shè)計(jì) 的控制信號(hào)；VyW是針對(duì)Uy=Vy設(shè)計(jì)的控制信號(hào)；V是針對(duì)Uy=-Vy設(shè)計(jì) 的控制信號(hào)；是針對(duì)U,=V誠(chéng)計(jì)的控制信號(hào)；V是針對(duì)U,= -V誠(chéng)計(jì) 的控制信號(hào)；Wh、《dy、是期望的參考轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信號(hào)在主慣量軸上的分 重；為&、馬I、為fe為?；?dy、"dz的導(dǎo)數(shù)；馬:(1)=毎(1)-巧it、馬:巧=&?:閩-巧it、會(huì)仙二今、II -份啤、今仲=咬陽(yáng)一巧/V、奪…=冷:(1)-巧L-、也(21=冷間一份啤是狀態(tài)估計(jì)信號(hào)與 期望跟蹤信號(hào)之間的誤差；k,、ky、k,為任意正實(shí)數(shù)；
[0038] 在所述步驟四中，所述的設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器之間的控制切換機(jī)制包括W下具體實(shí) 施步驟：
[0039] (1)所述的對(duì)執(zhí)行器不同驅(qū)動(dòng)符號(hào)模式計(jì)算各自的性能指標(biāo)，組成性能指標(biāo)集合 為：
[0042]
[00