本發(fā)明涉及撓性衛(wèi)星控制領(lǐng)域，具體指一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法。

背景技術(shù)：

1、為了實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)、導(dǎo)航及信息探測(cè)等多種任務(wù)，衛(wèi)星需具備高精度的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力和快速的姿態(tài)跟蹤響應(yīng)能力。在此背景下，帶有撓性附件的衛(wèi)星姿態(tài)控制逐漸成為了學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)行快速大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)，星體與撓性附件間會(huì)發(fā)生耦合運(yùn)動(dòng)，對(duì)其姿態(tài)穩(wěn)定性和運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。另外，太空環(huán)境復(fù)雜多變且充滿(mǎn)未知，撓性衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間會(huì)受到各種外部干擾的影響，這無(wú)疑極大地增加了姿態(tài)控制的難度與復(fù)雜性。

2、針對(duì)存在外部干擾的衛(wèi)星，通常采用h∞控制策略，但這種方法難以兼顧系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能?；旌蟞2/h∞控制方法因融合了h2和h∞控制的雙重優(yōu)勢(shì)，被視為一種更好的解決方案，但現(xiàn)有技術(shù)中混合h2/h∞控制研究主要局限于線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋方法，因?yàn)楝F(xiàn)代衛(wèi)星的物理結(jié)構(gòu)獨(dú)特，其狀態(tài)參數(shù)往往難以直接測(cè)量或測(cè)量成本高昂，無(wú)法采用狀態(tài)反饋方法，以及，由于混合h2/h∞控制方法在非線(xiàn)性系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的迭代過(guò)程，同時(shí)具有整體控制的復(fù)雜性等技術(shù)難題，使得混合h2/h∞控制方法難以在非線(xiàn)性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法是本發(fā)明研究的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明在于提供一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，能夠有效解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的至少一個(gè)問(wèn)題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，包括以下步驟：

4、s1，建立存在外部擾動(dòng)且部分狀態(tài)不可測(cè)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；

5、s2，設(shè)計(jì)非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器，得到基于所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器且存在外部擾動(dòng)和部分狀態(tài)不可測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)；

6、s3，通過(guò)所述閉環(huán)系統(tǒng)生成撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題，將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題；

7、s4，采用matlab/sostools求解sos凸優(yōu)化問(wèn)題，得到用于撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)且滿(mǎn)足非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題的非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器的解，通過(guò)所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器的解控制撓性衛(wèi)星。

8、進(jìn)一步地，建立存在外部擾動(dòng)且部分狀態(tài)不可測(cè)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型包括：

9、對(duì)撓性衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程引入輔助變量，將所述撓性衛(wèi)星姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和所述動(dòng)力學(xué)方程表示為所述狀態(tài)空間模型。

10、進(jìn)一步地，設(shè)計(jì)非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器包括：

11、s2.1，根據(jù)所述狀態(tài)空間模型的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)建立所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器；

12、s2.2，根據(jù)所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器的估計(jì)信息，建立所述狀態(tài)反饋控制器。

13、進(jìn)一步地，得到基于所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器且存在外部擾動(dòng)和部分狀態(tài)不可測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)包括：

14、s2.3，將所述狀態(tài)反饋控制器和所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器應(yīng)用到所述狀態(tài)空間模型，得到存在外部擾動(dòng)且部分狀態(tài)不可測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)。

15、進(jìn)一步地，通過(guò)所述閉環(huán)系統(tǒng)生成撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題包括：

16、使基于所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器的所述狀態(tài)反饋控制器滿(mǎn)足以下條件：

17、當(dāng)時(shí)，所述閉環(huán)系統(tǒng)在零平衡點(diǎn)是漸近穩(wěn)定的；

18、當(dāng)時(shí)，，其中為一個(gè)性能指標(biāo)上界；

19、給定常數(shù)，當(dāng)滿(mǎn)足且初始狀態(tài)時(shí)，從到的增益；

20、其中，為外部干擾，為被控輸出，為時(shí)間，是h2控制性能指標(biāo)，增益是h∞控制性能指標(biāo)。

21、進(jìn)一步地，將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題包括：

22、根據(jù)撓性衛(wèi)星姿態(tài)的結(jié)構(gòu)特征，采用lyapunov穩(wěn)定性理論，確立基于觀測(cè)器的非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制問(wèn)題存在條件；

23、通過(guò)sos和s-procedure方法將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制問(wèn)題存在條件轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題。

24、進(jìn)一步地，通過(guò)sos和s-procedure方法將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制問(wèn)題存在條件轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題包括：

25、通過(guò)sos和s-procedure方法推導(dǎo)所述非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制問(wèn)題的可解性條件。

26、進(jìn)一步地，采用matlab/sostools求解sos凸優(yōu)化問(wèn)題，得到用于撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)且滿(mǎn)足非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題的非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器的解包括：

27、確定撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，確定求解所述可解性條件所需的給定參數(shù)，通過(guò)matlab/sostools求解所述可解性條件。

28、進(jìn)一步地，步驟s4之后，包括：

29、s5，通過(guò)matlab/simulink搭建撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真平臺(tái)，驗(yàn)證所得非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器的撓性衛(wèi)星姿態(tài)控制效果。

30、因此，本發(fā)明提供以下的效果和/或優(yōu)點(diǎn)：

31、本申請(qǐng)聚焦于撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性混合h2/h∞輸出反饋控制問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性觀測(cè)器與控制器的獨(dú)立設(shè)計(jì)，無(wú)需復(fù)雜的迭代過(guò)程，顯著降低了整體控制設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了能夠用于控制撓性衛(wèi)星的非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法。

32、另外，建立了便于計(jì)算處理的sos凸可解性條件，有效解決了非線(xiàn)性控制研究中構(gòu)造lyapunov函數(shù)及普遍存在的計(jì)算難題。仿真結(jié)果表明，所提出的非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制方法不僅確保了姿態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且相較于經(jīng)典的非線(xiàn)性h∞方法，展現(xiàn)出了更優(yōu)控制性能和更強(qiáng)干擾抑制能力。

33、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)在說(shuō)明書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

34、應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明的上文概述和下面的詳細(xì)說(shuō)明是示例性和解釋性的，并且意在提供對(duì)如要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步的解釋。

技術(shù)特征：

1.一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：建立存在外部擾動(dòng)且部分狀態(tài)不可測(cè)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：設(shè)計(jì)非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：得到基于所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器且存在外部擾動(dòng)和部分狀態(tài)不可測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：通過(guò)所述閉環(huán)系統(tǒng)生成撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：通過(guò)sos和s-procedure方法將所述非線(xiàn)性混合h2/h∞姿態(tài)控制問(wèn)題存在條件轉(zhuǎn)化為sos凸優(yōu)化問(wèn)題包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：采用matlab/sostools求解sos凸優(yōu)化問(wèn)題，得到用于撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)且滿(mǎn)足非線(xiàn)性混合h2/h∞控制問(wèn)題的非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器的解包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合h2/h∞控制方法，其特征在于：步驟s4之后，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于觀測(cè)器的撓性衛(wèi)星非線(xiàn)性混合控制方法，包括以下步驟：S1，建立存在外部擾動(dòng)且部分狀態(tài)不可測(cè)的撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；S2，設(shè)計(jì)非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器，得到基于所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器且存在外部擾動(dòng)和部分狀態(tài)不可測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)；S3，通過(guò)所述閉環(huán)系統(tǒng)生成撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性混合控制問(wèn)題，將所述非線(xiàn)性混合控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為SOS凸優(yōu)化問(wèn)題；S4，采用Matlab/SOSTOOLS求解SOS凸優(yōu)化問(wèn)題，得到用于撓性衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)且滿(mǎn)足非線(xiàn)性混合控制問(wèn)題的非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和狀態(tài)反饋控制器的解，通過(guò)所述非線(xiàn)性降維觀測(cè)器和所述狀態(tài)反饋控制器的解控制撓性衛(wèi)星。

技術(shù)研發(fā)人員：周燕茹,王康迪,胡祥麟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廈門(mén)理工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30