[发明专利]基于复合扰动观测器的航天器多源干扰随机模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于复合扰动观测器的航天器多源干扰随机模型预测控制方法，该方法建立航天器姿态动力学模型，通过转化得到拉格朗日形式的航天器姿态动力学模型，进而得到状态空间下的航天器姿态动力学模型；将连续时间的航天器姿态动力学模型离散化为离散时间航天器姿态动力学模型；根据多源扰动类型设计复合扰动观测器对多源干扰进行观测，并将随机约束转化为确定性约束；采用随机模型预测控制与抗干扰控制相结合的混杂控制方法，从而得到航天器的控制量。本发明可以充分利用多源干扰的特点，设计复合扰动观测器，结合随机模型预测控制能够处理约束以及非匹配干扰的特点，对航天器姿态控制。

【技术领域】

本发明属于航天器控制技术领域，尤其涉及基于复合扰动观测器的航天器多源干扰随机模型预测控制方法。

【背景技术】

近年来，由于航天器在关键轨道任务中的重要作用，其姿态控制一直受到人们的关注。为了完成这些任务，航天器可能需要沿一个相对大的角振幅轨道旋转，这可以用非线性微分方程来描述。此外，在姿态控制问题中，还必须同时考虑航天器质量的不确定性、机载有效载荷的运动、太阳帆板的旋转和燃料消耗，这两个因素使得航天器的姿态控制非常困难。因此，需要研究一种方法来解决这个问题，其研究意义和对航天领域的工程价值不言而喻。

与理想环境下的成功不同，实际的控制系统不能保证在实际的干扰抑制问题中正常工作，而且仍然是需要研究的关键问题。改进的控制器设计显著地解决了这个问题。在所有可行的候选方案中，扰动观测器被广泛采用，以利用其对扰动的估计。另一方面，如果扰动不能用一个外生系统来表示，则未建模扰动可以作为一个缓慢的时变因子来处理，但扰动观测器不能准确估计。在这种情况下，扰动观测器的估计误差只能保证有界。尽管工程系统在实际中同时受到建模和未建模的干扰，但考虑多源干扰的研究还不多见。因此，设计一种同时估计模型扰动、未建模扰动，以及约束的方法是必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于复合扰动观测器的航天器多源干扰随机模型预测控制方法，解决了现有技术在航天器姿态控制中的多源干扰存在的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于复合扰动观测器的航天器多源干扰随机模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立航天器的姿态动力学模型，将姿态动力学模型转换为状态空间下连续时间的航天器姿态动力学模型；

步骤2，将状态空间下连续时间的航天器姿态动力学模型进行离散，得到航天器姿态动力学的离散时间模型，并获得航天器受到的概率性状态约束和控制量约束；

步骤3，设计复合抗干扰观测器，并将受到的概率性状态约束和控制量约束转换为确定性状态约束和控制量约束；

步骤4，结合复合抗干扰观测器、确定性状态约束和控制量约束获得对航天器控制量。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，通过修正罗德里格斯参数将航天器姿态动力学模型转化为拉格朗日形式的航天器姿态动力学模型；将拉格朗日形式的航天器姿态动力学模型转化为状态空间下连续时间的航天器姿态动力学模型。

优选的，步骤1中，所述状态空间下连续时间的航天器姿态动力学模型为：

其中：

为x(t)的导数，d_s(t)为随机扰动，d_o(t)由如下外部系统产生的：其中w(t)是外部系统的辅助状态，和是已知合适维数的矩阵。

优选的，步骤2中，所述航天器姿态动力学的离散时间模型为：