[发明专利]一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法

权利要求书

1.一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立充液挠性航天器的动力学模型：一类带有挠性太阳能帆板及液体燃料的三轴航天器的姿态动力学方程、挠性附件振动方程和液体燃料晃动方程：

其中：I为航天器转动惯量；ω∈R^3×1为航天器角速度；ω^×∈R^3×3表示ω的斜对称矩阵；C₀∈R^3×n为挠性振动运动与航天器转动运动耦合系数矩阵；G₁∈R^2×m，C₁∈R^m×3，C₂∈R^m×3均为液体晃动运动与航天转动之间的耦合系数矩阵；τ∈R^3×1为控制力矩矢量；T_d∈R^3×1为环境干扰力矩；ζ∈R^n×n为挠性附件振动模态阻尼比；Λ∈R^n×n为挠性附件振动模态频率矩阵；Λ₂∈R^m×m为液体晃动模态频率平方矩阵；η∈R^n×1为挠性体振动模态矢量；q∈R^m×1为液体晃动模态矢量；α为航天器的姿态角矢量，

步骤2、获取充液挠性航天器的角加速度曲线、角速度曲线、得到多段的角位置曲线，对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划；

步骤3、计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式；利用角加速度最大值、角加速度微分曲线中非零段时间和的一半或角加速度曲线中非零段时间和的一半、航天器角速度最大值、期望机动的角度，解算出航天器每段曲线中角位置的表达式；

步骤4、采用PD控制系统对充液挠性航天器进行姿态控制；

步骤5、联合优化充液挠性航天器控制器参数和机动路径的参数：采用基于自适应网格的多目标粒子群优化算法对航天器的控制器参数和机动路径参数进行联合优化。

2.根据权利要求1所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，步骤2对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划，采用将角加速度微分曲线划分为多段并对每段曲线进行积分，即得整个机动路径的角加速度多段曲线，再对角加速度曲线积分，即得整个机动路径的角速度多段曲线；再对角速度曲线积分，即得整个机动路径的角位置多段曲线，实现对充液挠性航天器姿态机动路径的规划。

3.根据权利要求2所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，步骤3计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式，具体包括以下步骤：

步骤3.1、定义j轴期望机动的角度其中，j＝x,y,z分别表示航天器的滚动轴、俯仰轴、偏航轴；

步骤3.2、定义j轴航天器角速度最大值V_{max_j}；

步骤3.3、获取j轴两个机动路径参数：角加速度最大值a_{max_j}、角加速度微分曲线中或角加速度曲线中非零段时间和的一半T_j；

步骤3.4、解算出航天器每段曲线中角位置的表达式。

4.根据权利要求3所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，PD控制律为：

其中，q_d为规划的欧拉角角位置输出，为规划的欧拉角角速度输出，为规划的欧拉角角加速度输出；q_p为实际的欧拉角角位置输出，为实际的欧拉角角速度输出；e＝q_d-q_p为欧拉角角位置误差向量；为欧拉角角速度误差向量；K_p为比例系数矩阵，K_d为微分系数矩阵；

然后对输出进行限幅，控制力矩向量为u_limit为实际系统所允许的最大控制力矩输出向量。