衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性的自適應(yīng)補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動符 號不確定性的自適應(yīng)補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最快的尖端技術(shù)之一，其中，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展 對促進人類文明和社會進步有著十分重要和積極的作用。作為現(xiàn)代衛(wèi)星最重要的組成部 分，姿態(tài)控制系統(tǒng)對其性能和安全可靠性起著決定性的作用。衛(wèi)星是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 且長時間工作在真空、失重、高低溫和強福射環(huán)境下，傳感器、執(zhí)行機構(gòu)W及系統(tǒng)的元器件 都不可避免地會發(fā)生故障，輕微故障會使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到破壞，控制性能顯著下降，嚴 重故障則可能導(dǎo)致衛(wèi)星完全失效，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，而如何改善控制性能、提高 可靠性已經(jīng)成為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計中不得不考慮的問題之一。未來先進衛(wèi)星的控制系 統(tǒng)必須具備自主決策和自適應(yīng)容錯能力，因此應(yīng)針對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進行可靠性控制進 行研究與技術(shù)開發(fā)。
[0003] 對于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性問題，專著"Space System Failures:Disasters and Rescues of Satellites, Rockets and Space Probes"（出片反 社；New York: Springer-Praxi ;出版日期；2006 ;作者；D.M.Harland,R.D. Lorenz)中指出 TIMED 衛(wèi)星（Thermosphere Ionosphere and Mesosphere Energetics and Dynamics，于 2011年12月7日在范登堡發(fā)射）和An化B1衛(wèi)星（于1978年12月5日在加拿大發(fā)射） 發(fā)生過執(zhí)行器驅(qū)動符號反轉(zhuǎn)的問題。產(chǎn)生執(zhí)行器驅(qū)動符號反轉(zhuǎn)的原因有很多，比如執(zhí)行器 電壓極性接反、或由于計算機故障引起的控制器產(chǎn)生符號相反的控制信號或者是衛(wèi)星工作 環(huán)境磁場極性發(fā)生反轉(zhuǎn)等。因此，如何補償衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性， 改善其控制性能是衛(wèi)星設(shè)計過程中不得不考慮的問題之一。
[0004] 目前，用于檢測和辨識衛(wèi)星執(zhí)行器驅(qū)動符號反轉(zhuǎn)主要有：一是對執(zhí)行器進行詳盡 的地面測試，但該方法的檢測和辨識準確性較低；（2)二是在軌發(fā)送開環(huán)控制指令，對比實 際響應(yīng)和期望響應(yīng)，判斷驅(qū)動信號極性反轉(zhuǎn)的執(zhí)行器，但是該方法需要大量耗時耗力的地 面干預(yù)。
[0005] 第S種用于補償衛(wèi)星執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性的控制方法是基于Nussbaum增益 的方法。如美國專利 US 8082047B1 "Adaptive control method that compensates for sign error in actuator response"，W及論文"Spacecraft control with uncertain control gain"(M. Sharma, Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Ontario Canada, AIAA 2010 - 7893, 2010)。上述方法在設(shè)計控制器 時，均是利用了與系統(tǒng)跟蹤誤差有關(guān)的正弦或余弦信號，使得控制信號持續(xù)跳變，從而導(dǎo)致 系統(tǒng)響應(yīng)較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對基于Nussbaum增益的控制方法存在的控制 信號持續(xù)跳變和瞬態(tài)響應(yīng)差的缺陷，提供一種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性 的自適應(yīng)補償方法，使系統(tǒng)姿態(tài)角速度漸近跟蹤期望信號。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0008] -種衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性的自適應(yīng)補償方法，所述的衛(wèi)星 姿態(tài)控制系統(tǒng)的動力學(xué)方程為：
[001引其中；"X、是衛(wèi)星空間轉(zhuǎn)動角速度在主慣量軸上的分量；毎、卻.、嗎是 ?,、勺導(dǎo)數(shù)是未知的主慣量軸的轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)；U,、Uy、U,是由執(zhí)行器產(chǎn) 生的控制力矩，
[0013] 其特征在于，包括如下步驟：
[0014] 步驟一、依據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行器工作狀況，對其驅(qū)動符號不確定性進行建 模，組成執(zhí)行器驅(qū)動符號模式集合；
[0015] 步驟二、基于所述的步驟一所建立的執(zhí)行器驅(qū)動符號模式集合中的不同驅(qū)動符號 模式分別設(shè)計不同的自適應(yīng)估計器，組成自適應(yīng)估計器集合，用于產(chǎn)生系統(tǒng)動力學(xué)的狀態(tài) 估計信號集合、參數(shù)估計信號集合W及狀態(tài)估計誤差信號集合；
[0016] 步驟S、利用所述的步驟二所產(chǎn)生的系統(tǒng)動力學(xué)的狀態(tài)估計信號集合、參數(shù)估計 信號集合W及狀態(tài)估計誤差信號集合，對執(zhí)行器的不同驅(qū)動符號模式分別設(shè)計各自的自適 應(yīng)控制器，組成自適應(yīng)控制器集合；
[0017] 步驟四、利用步驟二所獲得的系統(tǒng)動力學(xué)狀態(tài)估計誤差信號集合，設(shè)計自適應(yīng)控 制器之間的控制切換機制，包括；對執(zhí)行器不同驅(qū)動符號模式計算各自的性能指標，組成性 能指標集合；并實時辯識最小的性能指標，用于產(chǎn)生控制切換信號；從所述步驟=設(shè)計的 自適應(yīng)控制器集合中選擇對應(yīng)的自適應(yīng)控制器產(chǎn)生控制信號來驅(qū)動執(zhí)行器。
[0018] 在所述步驟一中，所述的根據(jù)執(zhí)行器工作狀況，所組成的執(zhí)行器驅(qū)動符號模式集 合為：
[0019]
[0020]
[0021]
[00過其中；Vx、V V為控制器產(chǎn)生的控制信號；
[0023] 參照所述組成的驅(qū)動符號模式集合，當存在執(zhí)行器驅(qū)動符號不確定性時，衛(wèi)星姿 態(tài)控制系統(tǒng)動力學(xué)方程為：
[0024]
[0028] 在所述步驟二中，所述的針對執(zhí)行器驅(qū)動符號模式集合中的不同驅(qū)動符號模式分 別設(shè)計不同的自適應(yīng)估計器，所組成的自適應(yīng)估計器集合為：
[003引其中：為W、乂乂是針對U)￡二Vy設(shè)計的估計器廣生的Wy、J"、Jyp的 估計信號；毎陽、乂,.口|、乂P(2i是針對Ux=-VX設(shè)計的估計器產(chǎn)生的WX、Jxv、Jxp的 估計信號；句仙、山、山是針對Uy=Vy設(shè)計的估計器產(chǎn)生的《y、Jyv、JJ勺估 計信號；A",、?^。，口|是針對Uy=-Vy設(shè)計的估計器產(chǎn)生的《y、Jyv、Jyp的估計 信號；毎WJ:W,、是針對Uz=Vz設(shè)計的估計器產(chǎn)生的《z、Jzv、Jzp的估計信 號；毎p,、是針對Uz= -Vz設(shè)計的估計器產(chǎn)生的《z、Jzv、Jzp的估計信號； 毎(1|、毎陽、冷(1)、口)、&z(l)、今(2)是毎(1)、間、*%(1)、冷(2)、晏(1)、今口)的導(dǎo)數(shù)； z.nii=巧:―命…、Z,口,毎(:,、2、,,。=巧'-卻",、Z，,…二份f式,切、與。=嗎_?…、 Z_-(2i=嗎-毎<2|是狀態(tài)估計誤差f目號；^ye、^ye、^ye是任意正實數(shù)。
[0033] 在所述步驟=中，所述的對執(zhí)行器的不同驅(qū)動符號模式分別設(shè)計各自的自適應(yīng)控 制器，所組成的自適應(yīng)控制器集合如下：
[0037] 其中；Vx山是針對Ux=VX設(shè)計的控制信號；Vx(2)是針對Ux=-VX設(shè)計 的控制信號；VyW是針對Uy=Vy設(shè)計的控制信號；V是針對Uy=-Vy設(shè)計 的控制信號；是針對U,=V誠計的控制信號；V是針對U,= -V誠計 的控制信號；Wh、《dy、是期望的參考轉(zhuǎn)動角速度信號在主慣量軸上的分 重；為&、馬I、為fe為。化、"dy、"dz的導(dǎo)數(shù)；馬:(1)=毎(1)-巧it、馬:巧=&?:閩-巧it、會仙二今、II -份啤、今仲=咬陽一巧/V、奪…=冷:(1)-巧L-、也(21=冷間一份啤是狀態(tài)估計信號與 期望跟蹤信號之間的誤差；k,、ky、k,為任意正實數(shù)；
[0038] 在所述步驟四中，所述的設(shè)計自適應(yīng)控制器之間的控制切換機制包括W下具體實 施步驟：
[0039] (1)所述的對執(zhí)行器不同驅(qū)動符號模式計算各自的性能指標，組成性能指標集合 為：
[0042]
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