一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的sdre參數(shù)調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法，本發(fā)明涉及輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有需要保證控制系統(tǒng)計(jì)算的最大力矩不超過衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩；需要保證控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度；不能保證側(cè)重控制的不同方面的問題；不能保證在不同的控制階段，側(cè)重不同的方向的問題；沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)的問題。步驟一、簡寫衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程；步驟二、寫出優(yōu)化指標(biāo)J的表達(dá)式；步驟三、對R(x)與Q(x)進(jìn)行設(shè)計(jì)；步驟四、求解出uc；步驟五、計(jì)算出Tc，將Tc發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制衛(wèi)星的姿態(tài)。本發(fā)明應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制領(lǐng)域。
【專利說明】-種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào) 節(jié)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的調(diào)節(jié)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制通常分為快速機(jī)動階段與穩(wěn)定跟蹤階段，對于不同的階段對 控制系統(tǒng)的要求是不同的。在快速機(jī)動階段，需要保證控制系統(tǒng)計(jì)算的最大力矩不超過衛(wèi) 星執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩。在穩(wěn)定跟蹤階段，需要保證控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度。
[0003] 對于傳統(tǒng)的LQR方法，LQR優(yōu)化指標(biāo)加權(quán)矩陣的參數(shù)只能選取為常值，不能保證在 衛(wèi)星運(yùn)行的不同階段提供側(cè)重控制的不同方面。
[0004] 而SDRE方法也并沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的函數(shù)，因此，雖然該方法能 夠很好的應(yīng)用在一類特殊的非線性系統(tǒng)中，但不能保證在不同的控制階段，側(cè)重不同的方 向。現(xiàn)在的SDRE方法更加側(cè)重利用其求解非線性最優(yōu)控制問題，并沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù) 選取為狀態(tài)的函數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制在快速機(jī)動階段，需要保證控 制系統(tǒng)計(jì)算的最大力矩不超過衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大力矩的問題；現(xiàn)有衛(wèi)星的姿態(tài)跟蹤控制 在穩(wěn)定跟蹤階段，需要保證控制系統(tǒng)的姿態(tài)精度問題；現(xiàn)有傳統(tǒng)的LQR方法，不能保證在衛(wèi) 星運(yùn)行的不同階段提供側(cè)重控制的不同方面的問題；現(xiàn)有SDRE方法不能保證在不同的控 制階段，側(cè)重不同的方向的問題；以及現(xiàn)有SDRE方法沒有將加權(quán)矩陣的參數(shù)選取為狀態(tài)的 函數(shù)的問題。而提出了一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法。
[0006] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟一、將衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程改寫成狀態(tài)相關(guān)的形式； 提取出需要的控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X，簡寫衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程；
[0008] 步驟二、按照二次型最優(yōu)的形式寫出控制系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)J的表達(dá)式；
[0009] 步驟三、對優(yōu)化指標(biāo)J中涉及的輸入加權(quán)矩陣R(X)與控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X的加 權(quán)矩陣Q(X)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
[0010] 步驟四、利用SDRE算法求解出控制系統(tǒng)的控制信號u。；
[0011] 步驟五、根據(jù)控制信號u。計(jì)算出指令力矩T。，將T。發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制衛(wèi)星的姿 態(tài)。
[0012] 發(fā)明效果
[0013] 采用本發(fā)明的一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法， 本發(fā)明通過選取Q(X)的表達(dá)式

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法，其特征在于：一種 適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、將衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程改寫成狀態(tài)相關(guān)的形式，提取 出需要的控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X，簡寫衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程； 步驟二、按照二次型最優(yōu)的形式寫出控制系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)J的表達(dá)式； 步驟三、對優(yōu)化指標(biāo)J中涉及的輸入加權(quán)矩陣RU)與控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X的加權(quán)矩 陣QOO進(jìn)行設(shè)計(jì)； 步驟四、利用SDRE算法求解出控制系統(tǒng)的控制信號u。； 步驟五、根據(jù)控制信號u。計(jì)算出指令力矩T。，將T。發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制衛(wèi)星的姿態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟一中衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程改寫成狀態(tài)相 關(guān)的形式，提取出需要的控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X，簡寫衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動 學(xué)方程；具體表達(dá)式為：
式（1)為衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程改寫成狀態(tài)相關(guān)的形式，其中， ?6是3父1的列陣，為衛(wèi)星的誤差姿態(tài)角速度，其含義是衛(wèi)星的姿態(tài)角速度ω與目標(biāo)姿態(tài) 角速度的差值；?0是ωe的導(dǎo)數(shù)；ω/是ωe的叉乘矩陣；是3X1的列陣，為目標(biāo)姿 態(tài)角速度，其含義為衛(wèi)星需要跟蹤的角速度；ω/是的叉乘矩陣；〇e是3X1的列陣，是 用來描述衛(wèi)星姿態(tài)的修正羅格里的參數(shù)；大是σ6的導(dǎo)數(shù)；αx是α的叉乘矩陣；15是3父3 的矩陣，為衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動慣量矩陣；O3x3表示3X3的矩陣，其元素均為零；u。是3Χ1的列陣， 為控制系統(tǒng)的控制信號；G(〇e)是一個(gè)3X3的矩陣，其各個(gè)元素是關(guān)于的函數(shù)； 所述σe表達(dá)式為：
式（2)中，為修正羅格里的參數(shù)，e為衛(wèi)星相對于目標(biāo)姿態(tài)的歐拉軸，Oe為誤差歐 拉角； 所述α是3X1的矩陣，表達(dá)式如下：
式（3)中，Iu表示轉(zhuǎn)動慣量矩陣中第i行第j列的元素，i取值為1、2、3,j取值為1、 2、3, 〇^表示列陣、中的第k個(gè)元素，k取值為1、2、3 ; 所述G(Oe)是一個(gè)3X3的矩陣，其各個(gè)元素是關(guān)于％的函數(shù)，G(Oe)的表達(dá)式如下：
式⑷中，E3x3表示3X3的單位矩陣；％為修正羅格里的參數(shù)，〇ex是％的叉乘矩 陣，σJ是％的轉(zhuǎn)置； 提取出控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量X= % ，令 JTfk
可以得到簡化的衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程，表達(dá)式如下：
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟二中寫出控制系統(tǒng)的優(yōu)化指標(biāo)J的表達(dá)式，具體表達(dá)式如下：
式（6)中χτ為狀態(tài)變量X的轉(zhuǎn)置，Q(x)為狀態(tài)變量的加權(quán)矩陣，X為控制系統(tǒng)的狀態(tài) 變量，Uc1為控制系統(tǒng)的控制信號u。的轉(zhuǎn)置，R(X)為對輸入的加權(quán)矩陣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟三中對優(yōu)化指標(biāo)J中涉及的輸入加權(quán)矩陣RU)與控制系統(tǒng)的狀 態(tài)變量X的加權(quán)矩陣QOO進(jìn)行設(shè)計(jì)的具體過程如下： R(x)與Q(x)的取值為： 輸入的加權(quán)矩陣RU) =E3x3為常值單位陣；狀態(tài)變量的加權(quán)矩陣Q(x)取為對角陣， 該對角陣的對角線元素表達(dá)式如下：
式中，ε^Ki為選取的參數(shù)，根據(jù)不同的控制系統(tǒng)選擇不同的值；Xi為狀態(tài)變量X的第i個(gè)元素AU)為狀態(tài)變量的加權(quán)矩陣QOO的第i個(gè)對角線元素；在QOO中，除對角線元 素外的其他元素取為0。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟四中利用SDRE算法求解出控制系統(tǒng)的控制信號u。，具體表達(dá)式 如下： uc =-R(X)-1B(X)1P(X) X (9) PU)是通過求解下面的狀態(tài)相關(guān)Riccati方程得到的： P(X)A(X)+A(X)tP(X)+Q(X)-P(X) B (X)R(X)-1B (X)tP(X)= 0 (10) 式（9)中A(X)T為八⑴的轉(zhuǎn)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟五中根據(jù)控制信號u。計(jì)算出指令力矩T。，將T。發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 控制衛(wèi)星的姿態(tài)； T。的具體表達(dá)如下：
式中h。是衛(wèi)星飛輪的總角動量，Τ。是控制衛(wèi)星的指令力矩，< 是的導(dǎo)數(shù)，ωχ是ω的叉乘矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種適用于輪控衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動與跟蹤控制的SDRE參數(shù)調(diào)節(jié)方 法，其特征在于：所述步驟一中衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)與衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程的簡寫過程中引入 了前饋項(xiàng)，具體過程如下： 衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程為：
基于修正羅格里的參數(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程為： K= (13) 式（12)中，ω是衛(wèi)星的姿態(tài)角速度，心是《的導(dǎo)數(shù)，ωχ是ω的叉乘矩陣，4是h。的 導(dǎo)數(shù)； 所述步驟一中引入衛(wèi)星的誤差姿態(tài)角速度ωε=ω-ωρ對衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程改寫， 具體過程如下：
展開式（14)得到下面形式的衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程：
弓丨入前饋項(xiàng)+ ^ 4
令 利用式（16)的等式替換，即可得到將衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)方程分解成式￠)的形式。
【文檔編號】B64G1/24GK104462810SQ201410735467
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】黃思萌, 耿云海, 侯志立, 孫瑞 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)