[发明专利]一种适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法

说明书

本申请公开一种适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法。所述方法包括根据被控对象的参数或外部环境的因素判断是否能够给出参考路径，对于可进行路径规划的情况，根据被控制量及其各阶微分信息得到最终目标被控制量；对于难以给出参考路径的情况，以阶跃形式计算最终的目标被控制量。本申请针对空间飞行器快速姿态机动过程中，执行机构需要工作在饱和状态的非线性系统，给出能够适应预先规划参考路径或者目标姿态阶跃指令的改进控制方法，改善了输出饱和非线性系统的快速机动控制效果。

技术领域

本申请涉及飞行器姿态机动控制领域，尤其涉及一种适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法。

背景技术

空间飞行器(如工作在惯性滑行段的运载火箭，或处在变轨前准备阶段的人造卫星或飞船)在执行任务的过程中，需要进行姿态机动来满足有效载荷的工作方向需求或者变轨发动机的推力指向需求。但是，当主发动机尚未开始工作时，姿态控制执行机构能提供的控制力矩是有限并且较小的。比如，人造卫星的反作用飞轮力矩一般较小，且存在上限；运载火箭的姿态控制发动机与主发动机推力相差2到3个数量级，且仅能提供开、关两种状态的推力。姿态机动的速度和精度决定了后续任务的控制时机和精度，从而影响到空间系统的燃料消耗及性能指标。

为了能够尽量快速地进行姿态机动，希望充分发挥执行机构的能力，使其工作在输出饱和(即在最大输出处幅值被限制，简称限幅)非线性状态，传统的空间飞行器控制系统一般按线性系统进行分析与设计。

传统的PD线性反馈(P-代表比例项，即反馈被控状态量，D-代表微分项，即反馈状态量的导数，均能够通过传感器进行测量)控制器，其设计基于线性、稳态的假设，直接用来跟踪姿态机动参考路径或目标姿态阶跃指令时，控制品质较差，难以适应快速的机动控制要求。

发明内容

本申请提供了一种适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法，包括：

步骤S1：根据被控对象的参数或外部环境的因素判断是否能够给出参考路径，如果是，则执行步骤S2，否则执行步骤S3；

步骤S2：对于可进行路径规划的情况，根据被控制量及其各阶微分信息得到最终目标被控制量；

步骤S3：对于难以给出参考路径的情况，以阶跃形式计算最终的目标被控制量。

如上所述的适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法，其中，可进行路径规划的情况，具体为被控对象的固有属性以及外部环境在运动过程中的特性变化较小，能够预先规划给出较为精确的参考路径。

如上所述的适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法，其中，根据被控制量及其各阶微分信息得到最终目标被控制量，具体包括如下子步骤：

设定被控制量和预先规划的参考路径的表达式，根据被控制量和参考路径计算偏差量；

偏差量随时间的响应为微分方程的解，期望偏差量指数收敛为零；

根据偏差量计算公式和微分方程，得到被控制量的二阶导数；

根据被控制量的二阶导数构建被控对象的动力学模型，计算执行机构工作在饱和状态时对应的期望控制量，结合执行机构输出限幅得到系统实际的控制律；

将参考路径数据存储为使用时间作为自变量的查找表，控制器运行时根据时间查找当前时刻的各阶参考量并加入到控制律中，得到最终目标被控制量。

如上所述的适应执行机构饱和的快速姿态机动控制方法，其中，设定被控制量和预先规划的参考路径的表达式，根据被控制量和参考路径计算偏差量，具体为：设定被控制量表示为x＝x(t)，预先规划的参考路径表示为x_ref＝x_ref(t)，则偏差量定义为：e(t)＝x_ref(t)－x(t)。