[发明专利]一种基于特征模型的相平面自适应控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器相平面控制方法，特别是针对挠性航天器，在交会对接过程中存在羽流等干扰、系统时延时的高精度、稳定的喷气控制方法。

背景技术

空间交会对接是指两个航天器在轨道上按预定的位置、速度和时间会合(交会)，然后经姿态对准、靠拢直至在结构上连接成一体(对接)的全部飞行动作过程。进行空间交会对接的两个航天器，通常一个被称作目标飞行器(简称目标器)，另一个被称作追踪飞行器(简称追踪器)。在交会对接过程中，追踪器是主动的，一般通过改变追踪器相对于目标器的位置和姿态分阶段实现两个航天器的交会对接。交会对接过程一般分四个阶段：远距离导引段、寻的段、接近段、靠拢和对接段。

在交会对接过程中，追踪器需要通过发动机开机频繁进行轨道和姿态机动，引发推进剂消耗，从而造成追踪器质量特性和惯量特性不断变化；轨道和姿态机动还会激发太阳帆板挠性振动，这种帆板挠性振动特性本身存在不确定性；发动机开机产生的羽流打在太阳帆板上会对追踪器产生随帆板转角变化的干扰力和干扰力矩；此外在相对距离较近时相对姿态和相对位置的控制存在耦合，控制系统存在时间延迟等等，这都使得交会对接的精确控制成为一个难题。

基于特征模型的智能自适应控制方法是吴宏鑫院士1992年提出的，经过二十年的研究，在理论和应用上均取得了重要进展，形成了一套完整的实用性很强的自适应控制理论和方法，主要包括特征建模理论和方法、黄金分割自适应控制方法等内容。参见文献[1](吴宏鑫，胡军，解永春.基于特征模型的智能自适应控制.北京，中国科学技术出版社，2009)。

文献[1]中指出，所谓特征建模就是根据对象动力学特征、环境特征和控制性能要求进行建模。特征模型由特征变量和特征参量构成。特征变量是反映对象作用力和运动特征的变量，如控制量、输出的位置、速度、加速度等变量。特征参量是反映作用力与运动特征变量关系的关键参数，包括增益、滞后时间、阶次、相对阶、系数及其时变特性参数。特征模型的特点是模型考虑了控制要求，理论上已经证明：对于线性定常、线性时变、非线性定常和某些非线性时变系统的位置保持和位置跟踪控制，其特征模型可以用低阶慢时变差分方程描述；其中，对于开环稳定的系统或开环不稳定但相对阶小于等于2的系统，其特征模型可以用二阶慢时变差分方程描述。因此有别于通常如模态截断等方法中把高阶模态舍去的做法，它把高阶模态的有关信息融入特征模型的特征参量中，并不丢失信息，模型精度高，且比原动力学模型简单。特征模型的输出与实际对象的输出在动态过程中保持在容差之内，在稳态情况下两输出相等。特征模型与实际对象之间存在一个未建模误差，在采样周期足够小的条件下，这个误差近似为采样周期的同阶无穷小量。如果以特征模型为对象设计的控制器对该未建模误差具有鲁棒性，那么原对象在该控制器作用下就稳定。因此特征建模突破了控制理论在实际应用中的瓶颈，为高阶复杂对象进行低阶控制器设计和智能控制器设计提供了依据，特别是为自适应控制理论的实际应用提供了一条新的技术途径。

黄金分割自适应控制律是将黄金分割比与最小方差自适应控制律相结合的一种新的自适应控制方法，在一定条件下，可以保证参数未收敛于“真值”时闭环系统的稳定性以及对未建模误差的鲁棒稳定性，参见文献[2](解永春，吴宏鑫.黄金分割在自适应鲁棒控制器设计中的应用.自动化学报，1992，18(02)：177-185)。

但是，基于特征模型的黄金分割自适应控制器是线性控制器，不能直接用于解决交会对接这样的喷气非线性控制问题。

相平面控制是经典的喷气控制方法，在卫星和飞船的姿态控制中得到了广泛的应用。文献[3](屠善澄主编.《卫星姿态动力学与控制》.宇航出版社.2001年.)的第十三章介绍了相平面控制律的设计方法。但由于相平面控制设计参数多，而且需要按经验人工试凑，所以要实现稳定的交会对接的高精度控制，相平面参数的设计是个难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有相平面控制设计参数需要人控试凑，提供一种相平面控制的参数设计方法，解决交会对接过程中帆板挠性大、羽流干扰严重、姿态和轨道耦合、系统延迟大情况下鲁棒性好、控制精度高、适应能力强的控制器设计问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于特征模型的相平面自适应控制方法，步骤如下：

(1)根据系统延迟ΔT_delay和动态性能要求设计喷气控制律中的限速值