[发明专利]一种基于执行机构归一化可达集顶点的控制分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于执行机构归一化可达集顶点的控制分配方法，属于航 天器控制领域。

背景技术

现代小卫星朝着高功能密度、高可靠性的方向发展。为提高卫星控制系统 的可靠性，执行机构通常采用备份装置。传统的冷备份模式的工作形式是：备 份机构直接对应单个主执行机构，当某个主执行机构失效时由对应它的备份机 构顶替工作。冷备份模式无法有效利用备份机构的执行能力，且与功能密度要 求背道而驰。为了克服冷备份工作模式的缺点，新型设计方案考虑对执行机构 进行冗余布置。各执行机构互为备份，当部分机构故障时，剩余机构仍能保证 系统具有正常的机动能力。

然而冗余的执行机构配置方案也会面临新的问题，即由期望控制量到执行 机构控制指令的映射关系并不唯一。这就需要在控制系统中引入控制分配环节 来将期望控制量在冗余的机构间进行分配，使系统的实际输出与期望量尽量吻 合。这一指令分配过程由控制分配方法实时、动态地完成。参见图1进行具体 说明，在传统卫星姿态闭环控制系统基础上，在控制算法与执行机构之间增加 动态控制分配环节(相当于将传统控制系统中的控制律设计拆分为控制算法设 计和控制分配算法设计两部分)。首先，控制分配环节负责将控制算法发出的期 望力矩指令转化为各执行机构的控制指令。此时控制算法可以更专注于控制律 的设计而忽略执行机构的约束影响，而控制分配环节专门负责冗余执行机构配 置的管理与指令分配工作，既简化了设计，又增强了控制算法与控制分配算法 的可移植性。其次，动态控制分配根据故障诊断模块提供的故障信息实时调整 分配策略，无须改变控制算法就可以实现故障执行机构的快速隔离与系统的快 速动态重构。增强了系统的鲁棒性。

目前见诸文献的各种控制分配算法均各有利弊。其中，广义逆法(典型的 如伪逆法)、链式递增法等具有求解速度快、占用存储空间小的优势，然而求解 结果却会出现分配误差，其分配空间也无法全部覆盖机构配置的可达集；直接 分配法(原始方法)的分配空间与配置的可达集一致，但其对可达集包络面进 行序列搜索的求解办法可能耗费大量的在线计算时间，从而难以应用于实时计 算；各种基于优化模型的求解办法同样面临实时计算难的问题。为此，学者们 力图探索一种分配空间大，且实时计算能力强的求解方法。但新提出的方法要 么叙述复杂难于复现，要么占用大量的存储空间，不能同时兼备分配空间大、 实时计算能力强，且占用存储空间小的优点。

发明内容

本发明的目的是解决现有冗余执行机构配置方案的控制分配方法不能同时 兼备分配空间大、实时计算能力强，且占用存储空间小的问题，提供了一种基 于执行机构归一化可达集顶点的控制分配方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤一、判断执行机构是否有故障信息，

判断结果为是，执行步骤二，判断结果为否，执行步骤三，

步骤二、离线计算并更新执行机构的可达集信息，

可达集信息包括每个执行机构的可达集包络面顶点信息、可达集信息单元 球、可达集包络面信息和可达集包络面顶点对应的饱和控制量信息，

根据执行机构的配置信息获得每个执行机构的可达集包络面顶点，归一化 可达集包络面顶点，构建可达集信息单元球，获得可达集包络面信息，获得可 达集包络面顶点对应的饱和控制量信息，

步骤三、将系统给定的期望控制量归一化处理，形成单位期望力矩，所述 单位期望力矩与可达集信息单元球相交形成单位期望力矩点，所述可达集信息 单元球为执行机构的可达集信息中的一种数据，

步骤四、在所述可达集信息单元球上确定与单位力矩点相邻的n个归一化 可达集包络面顶点，进而确定包含所述n个归一化可达集包络面顶点的可达集 包络面，其中，n为自然数，6≥n≥2，

步骤五、逐个核对步骤四搜索到的可达集包络面，确定与单位期望力矩方 向射线相交的可达集包络面，

步骤六、根据与单位期望力矩相交的可达集包络面的可达集包络面顶点对 应的饱和控制量计算执行机构的实际控制量，完成各执行机构实际控制量的计 算。

步骤二中所述的离线计算执行机构的可达集信息的方法包括以下步骤：