基于反步設(shè)計和非線性反饋的pd+姿態(tài)控制律設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于反步設(shè)計和非線性反饋的PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法，屬于航天器高性能姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法建立級聯(lián)形式的相對姿態(tài)運動方程，根據(jù)反步設(shè)計思想將PD+姿態(tài)控制律的設(shè)計問題分解為兩個相對姿態(tài)運動子系統(tǒng)的穩(wěn)定控制律設(shè)計問題。進一步根據(jù)相對姿態(tài)運動方程的級聯(lián)關(guān)系設(shè)計PD+姿態(tài)控制律，以期望的動態(tài)響應穩(wěn)定整個姿態(tài)控制系統(tǒng)。最后通過對平衡點處的閉環(huán)系統(tǒng)阻尼比進行約束來避免超調(diào)現(xiàn)象。本發(fā)明提高了現(xiàn)有基于反饋線性化方法設(shè)計PD+姿態(tài)控制律的靈活性，能夠在不增加控制力矩幅值的前提下能夠很大程度上地提高閉環(huán)系統(tǒng)的響應速度。
【專利說明】基于反步設(shè)計和非線性反饋的PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于反步設(shè)計和非線性反饋的! +(Proportional DerivativePlus)姿態(tài)控制律設(shè)計方法，屬于航天器高性能姿態(tài)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]為了完成交會對接、編隊飛行、在軌服務等新興空間應用任務，航天器需要頻繁地進行大角度姿態(tài)機動/跟蹤。在這種情況下，姿態(tài)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出強非線性和強耦合的特點。此時，為了獲得較高的控制性能，就需要用到非線性控制技木。其中，基于反饋線性化技術(shù)設(shè)計的PD+姿態(tài)控制律因其設(shè)計簡單便于實現(xiàn)等特點被廣泛采用。這種姿態(tài)控制律設(shè)計方法首先通過反饋線性化技術(shù)將相對姿態(tài)動力學方程線性化，然后針對線性化后的新系統(tǒng)設(shè)計相對姿態(tài)變量(相對姿態(tài)參數(shù)和相對姿態(tài)角速度)的反饋項。Wie B.[Wie B.，Weiss H.,Arapostathis A.Quaternion feedback regulator ior spacecraft eigenaxisrotations[J].Journal of Guidance，Control，and Dynamics，12(3)，1989:375-380.]針對剛性航天器的姿態(tài)穩(wěn)定控制任務設(shè)計了 PD+姿態(tài)調(diào)節(jié)律，并給出了控制參數(shù)的整定方法；Wen J.T.[Wen J.T., Kenneth K.D.The attitude control problem [J].1EEETransactions on Automatic Control, 36 (10), 1991:1148-1162.]針對剛體姿態(tài)跟蹤問題設(shè)計了 PD+姿態(tài)控制律，并利用自適應控制技術(shù)提高了 PD+姿態(tài)控制律的魯棒性。隨著滑?？刂萍夹g(shù)的發(fā)展，利用積分滑?？刂萍夹g(shù)可以保證PD+控制律的魯棒性[Utkin V.，ShiJ.X.1ntegral sliding moae in systems operating unaer uncertainty conditions [C].Proceedings of the35th IEEE Conference on Decision and Control, Japan,1996:4591-4596.]。在這種情況下，PD+姿態(tài)控制律作為積分滑模姿態(tài)控制律中的標稱控制律并決定著閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
[0003]對于根據(jù)反饋線性化方法設(shè)計的PD+姿態(tài)控制律來說，當確定了需要抵消的非線性項后，設(shè)計者僅能通過調(diào)節(jié)控制增益來滿足控制需求。而現(xiàn)有PD+姿態(tài)控制律中的ro反饋項是相對姿態(tài)變量的線性比例放大，若選擇大控制增益來加快系統(tǒng)響應，那么當相對姿態(tài)變量較大時，姿態(tài)控制律會產(chǎn)生很大的控制カ矩幅值從而容易導致執(zhí)行機構(gòu)的飽和問題；反之，若選擇小控制增益來降低執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生飽和的幾率，那么同時也會降低系統(tǒng)的響應速度。為了解決這一問題，Schlanbusch R.[Schlanbusch R., Loria A.,Kristiansen R.,Nicklasson P.J.PD+attitude control of rigid bodies with improvedperformance[C].Proceedings of the49th IEEE Conference on Decision and Control,Atlanta, 2010:7069-7074.]利用非線性反饋技術(shù)使得I3D反饋項具有指數(shù)增加的控制增益，增加了 PD+姿態(tài)控制律的設(shè)計自由度。然而，這種改進的PD+姿態(tài)控制律在相對姿態(tài)變量較大時具有大控制増益，在加快系統(tǒng)響應速度的同時更容易導致執(zhí)行器飽和問題。另外，當相對姿態(tài)變量處于平衡點附近時，這種改進的PD+姿態(tài)控制律通過減少控制增益來避免超調(diào)，但同時也降低了系統(tǒng)的響應速度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為提高現(xiàn)有PD+姿態(tài)控制律的控制性能，提出ー種PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法，結(jié)合反步設(shè)計方法和非線性反饋技木，在不增加控制カ矩幅值的前提下提高系統(tǒng)的響應速度，可用于剛性航天器進行姿態(tài)機動/跟蹤時的姿態(tài)控制。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:建立級聯(lián)形式的相對姿態(tài)運動方程，根據(jù)反步設(shè)計思想將PD+姿態(tài)控制律的設(shè)計問題分解為兩個相對姿態(tài)運動子系統(tǒng)的穩(wěn)定控制律設(shè)計問題。對于相對姿態(tài)運動學子系統(tǒng)，利用非線性反饋技術(shù)設(shè)計虛擬控制律使閉環(huán)子系統(tǒng)具有期望的動態(tài)響應；再針對相對姿態(tài)動力學子系統(tǒng)設(shè)計輔助姿態(tài)控制律，使實際相對姿態(tài)角速度能夠快速地跟蹤上虛擬控制律的輸出值；進ー步根據(jù)相對姿態(tài)運動方程的級聯(lián)關(guān)系設(shè)計PD+姿態(tài)控制律，以期望的動態(tài)響應穩(wěn)定整個姿態(tài)控制系統(tǒng)。最后通過對平衡點處的閉環(huán)系統(tǒng)阻尼比進行約束來避免超調(diào)現(xiàn)象。
[0006]具體包括以下步驟:
[0007]步驟1，以進行姿態(tài)機動/跟蹤的剛性航天器為對象，在姿態(tài)運動的構(gòu)型空間內(nèi)定義相對姿態(tài)變量，在航天器本體坐標系下建立級聯(lián)形式的相對姿態(tài)動力學方程和相對姿態(tài)運動學方程。具體方法為:
[0008]在航天器本體坐標系下定義相對姿態(tài)變量如下:
[0009]
【權(quán)利要求】
1.基于反步設(shè)計和非線性反饋的PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法，其特征在于:具體包括以下步驟: 步驟1，以進行姿態(tài)機動/跟蹤的剛性航天器為對象，在姿態(tài)運動的構(gòu)型空間內(nèi)定義相對姿態(tài)變量，在航天器本體坐標系下建立級聯(lián)形式的相對姿態(tài)動力學方程和相對姿態(tài)運動學方程；具體方法為: 在航天器本體坐標系下定義相對姿態(tài)變量如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反步設(shè)計和非線性反饋的PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法，其特征在于:所述慣性空間系以地心為坐標原點，Xi軸在地球赤道平面內(nèi)指向春分點，Zi軸指向北極，與地球自旋軸重合，Yi與Xi和Zi成右手正交系；所述航天器本體坐標系，以航天器質(zhì)心為坐標原點，本體系的X軸與航天器結(jié)構(gòu)的主軸(對稱軸)相重合，符合右手法則；航天器的慣量陣張量在本體系下的矩陣表示為對角陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于反步設(shè)計和非線性反饋的PD+姿態(tài)控制律設(shè)計方法，其特征在干:步驟2所述的基于非線性反饋技術(shù)的虛擬控制律ωei1能夠替換為另ー種形式的虛擬控制律:
【文檔編號】G05D1/08GK103455035SQ201310376138
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】劉向東, 陳振, 叢炳龍, 苗雙全 申請人:北京理工大學