[发明专利]一种组合体航天器闭环反馈最优控制分配方法

说明书

技术领域

本发明设计一种组合体航天器闭环反馈最优控制分配方法，主要应用于空间新型组合体航天器在执行机构存在安装偏差及饱和限制的情况下，以能量最优方式进行姿态稳定控制。

背景技术

组合体航天器是指由于空间复杂任务的需要，由两个或多个航天器单元通过对接或者捕获等方式组合而成的一类航天器，主要组合类型有大型空间站与飞船的交会对接、废弃卫星与服务卫星、空间碎片与捕获卫星及空间机器人等。该类航天器主要用于完成复杂的高难度空间任务，因此对各个航天单元之间的协同控制精度要求比较高。实现组合体航天器的协同控制是未来世界大国必须掌握的核心技术，也是大国之间在航天领域的重要竞争力。

通常组合体航天器都有多个执行机构，因此有效利用组合体航天器上的可用资源，合理分配各个执行机构所执行的指令，对组合体航天器的控制精度及可靠性都有很大的提高。而由于现有技术的不足，安装在航天器上的执行机构一般都存在安装偏差，执行机构本身也会受到饱和因素的限制，并且受到能量的约束，因此在考虑执行机构安装偏差、饱和以及能量的约束下，实现多执行机构之间的最优控制分配是一项关键技术。

现阶段已有的开环控制分配技术考虑了能量、执行机构饱和因素的限制，但是该方法对执行机构的精确性提出了很高的要求，只有当执行机构实际的输出力矩与理想的控制力矩完全相等时，才能在满足约束条件的基础上使得系统稳定。当开环的控制分配方法在执行机构存在安装偏差时，控制分配误差大大增加，严重影响了组合体航天器系统的控制性能，导致现阶段已有的控制分配方法在同时考虑执行机构安装偏差、饱和及能量约束时会失效。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对组合体航天器执行机构存在安装误差及饱和限制的问题，在受到能量约束的条件下，提供一种组合体航天器闭环反馈最优控制分配方法，解决组合体航天器在姿态稳定控制中因执行机构安装偏差而控制精度降低的问题，提高组合体航天器的控制精度，同时实现了能量的优化控制。

本发明的技术解决方案为：一种基于闭环反馈的组合体航天器最优控制分配方法，如图1所示，其实现步骤如下：

第一步，建立包含执行机构不确定性的组合体航天器姿态运动学和动力学模型：

其中，q和q₀分别为组合体航天器姿态四元素向量和标量，J是组合体航天器的转动惯量，ω是组合体航天器的姿态角速度，u(t)是组合体航天器三轴虚拟姿态稳定控制指令，τ(t)是执行机构输出，D₀是标称的执行机构分配矩阵，△D是表示执行机构安装偏差的误差矩阵。

第二步，基于组合体航天器的姿态运动学和动力学模型，设计组合体航天器抗饱和姿态稳定控制器为：

u(t)＝-βu_maxq-(1-β)u_maxTanh[(ω+kq)/p²]

其中，u(t)是组合体航天器三轴虚拟姿态稳定控制指令，u_max是控制输入的上界，β是一个满足0<β<1的常数，Tanh(·)是标准的正切函数，ω是组合体航天器的姿态角速度，q为组合体航天器姿态四元素向量，p是一个正常数，满足增益k是随时间变化的函数，控制ω与q的切换，其变化满足如下：

其中，γ_k∈[0,1]和γ_d∈[0,1]是正常数，γ_c是一个单位调节参数。

第三步，基于上述抗饱和姿态稳定控制器，设计开环最优控制分配方法的优化目标函数为：

Θ＝arg min{||R₀W₀τ_act(t)||²+||R₁W₁[τ_act(t)-τ_d(t)]||²+||W₂[τ_act(t)-τ_act(t-T)]||²}

s.t.u_d(t)＝D₀τ_act(t)