基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法技术方案

基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，属于航天器控制技术领域。方法包括：步骤一：针对实验室的组合卫星模拟器系统，建立其离散高阶全驱系统模型；步骤二：提出控制目标；步骤三：建立增广系统；步骤四：反馈控制器设计和问题求解；步骤五：控制律参数化；步骤六：实验验证。本发明专利技术实现了利用地面环境模拟真实太空环境下服务星捕获目标星后的组合体运动控制，与传统的关于组合航天器运动控制的相关研究相比，本发明专利技术提供了对所提控制方法的实验环节支撑，且避免了将系统原始模型化为一阶状态空间模型的繁琐以及在状态空间方法框架下处理非线性等问题的困难，同时，控制器设计方法简单，参数求解过程数值稳定，具有一定的工程价值。一定的工程价值。一定的工程价值。

【技术实现步骤摘要】
基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法


[0001]本专利技术属于航天器控制
，具体涉及一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法。

技术介绍

[0002]一般而言，服务星在轨捕获目标星的过程可分为四个阶段：获取目标阶段、接近目标阶段、抓捕目标阶段和捕获完成后组合体的运动控制阶段。对于组合体控制阶段，存在两个较为突出的问题：1)由于机械臂具有变结构与强耦合的特性，其对应的控制系统为非线性系统，因此存在较大的建模误差与外部扰动等许多不确定因素；2)捕获完成后组合体的质量、体积、速度与转动惯量等力学参数都将发生突变，且目标星可能还会存在干扰力与力矩，这些都有可能导致原有的控制参数不能满足性能要求，甚至直接导致组合体系统脱离稳定状态。因此，对捕获目标后组合体的运动控制进行相关研究至关重要。
[0003]一方面，现有的关于组合航天器运动控制的研究，大都是基于一阶状态空间方法的框架进行系统分析与设计的，需要首先将系统的高阶原始模型化为状态空间模型，过程繁琐，且在状态空间方法的框架下，处理非线性等问题带来诸多问题与挑战；另一方面，从实际应用角度来讲，大多数研究的相关分析只停留在了仿真层面，并没有实验环节的支撑。而且，对于组合航天器运动控制的相关模拟实验，由于其实验设备成本高，系统搭建难度大，且所需的微重力环境要求高，一般情况下很难实现。
[0004]基于上述背景，本专利技术依托实验室的组合卫星模拟器系统，提出了一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，目的是提出一种模型处理过程简单、控制器设计简单有效、且有实验支撑的组合体运动控制方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，用以模拟真实卫星抓捕任务中，服务星捕获目标星后组合体的运动控制过程，应用于服务星在轨捕获目标星任务的场景。
[0006]本专利技术针对现有的关于组合体运动控制的相关研究大都只停留在仿真层面，而没有实验环节支撑的现状，依托实验室的组合卫星模拟器系统，设计了一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，并完成了组合卫星模拟器跟踪控制的实验。
[0007]本专利技术提供了一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，是一种基于被控系统的高阶全驱系统模型来进行系统控制器设计的方法，实现了利用地面环境模拟真实太空环境下服务星捕获目标星后的组合卫星模拟器运动控制，与传统的关于组合航天器运动控制的相关研究相比，本专利技术提供了对所提控制方法的实验环节支撑且避免了将系统原始模型化为一阶状态空间模型的繁琐以及在状态空间方法框架下处理非线性等问题的困难，同时，控制器设计方法简单，参数求解过程数值稳定，具有一定的工程价值。
[0008]离散高阶全驱系统方法，即基于被控系统的离散高阶全驱系统模型来进行系统分
析和设计的方法。组合卫星模拟器，即由实验室的组合卫星模拟器实验系统的两个三自由度气浮台通过机械臂相连而成的组合卫星模拟器，用来模拟真实卫星抓捕任务中的服务星和目标星。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0010]基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0011]步骤一：针对实验室的组合卫星模拟器系统，建立其离散高阶全驱系统模型；
[0012]首先，给出组合卫星模拟器系统的连续时间二阶全驱系统形式，如下：
[0013][0014]式(1)中，表示状态向量，其中：x
c
表示组合卫星模拟器质心的x坐标，y
c
表示组合卫星模拟器质心的y坐标，表示组合卫星模拟器的偏航角，
T
表示转置，u＝[F
x F
y T
z
]T
表示惯性坐标系下的控制输入向量，其中：F
x
表示作用在组合卫星模拟器x方向的推力，F
y
表示作用在组合卫星模拟器y方向的推力，T
z
表示转矩，d表示扰动项，且假设扰动满足恒定或慢时变条件，Γ表示扰动系数，B＝diag(1/M
c
,1/M
c
,1/J
c
)为控制矩阵，其中：M
c
和J
c
分别表示组合卫星模拟器的质量和转动惯量，显然，满足全驱条件：
[0015]det B≠0
[0016]组合卫星模拟器系统实际为离散控制系统，故需要对式(1)进行离散化，得：
[0017][0018]式(2)中：T
s
表示采样时间，x(k+1)表示k+1时刻的状态，x(k)表示k时刻的状态，表示k
‑
1时刻的状态，u(k)表示k时刻的输入，d(k)表示k时刻的扰动；
[0019]定义组合卫星模拟器系统的输出方程为：
[0020][0021]式(3)中：y(k)表示k时刻的输出，C＝[I
3 03×3]表示输出矩阵，表示组合卫星模拟器系统的状态；I3表示三阶单位矩阵，03×3表示三阶0矩阵；
[0022]综上，式(2)即为得到的组合卫星模拟器系统的离散高阶全驱系统模型，式(3)为对应的输出方程；
[0023]步骤二：提出控制目标；
[0024]我们需要使组合卫星模拟器系统的输出y(k)跟踪一个常值向量y
r
，因此，在组合卫星模拟器系统满足全驱条件下，针对步骤一中的离散高阶全驱系统模型(2)和输出方程(3)，设计一个控制器；
[0025][0026]其中：
‑1表示矩阵求逆，v(k)表示控制器u(k)中待设计的反馈部分，使得在该控制器作用下得到的闭环系统是稳定的，且满足：
[0027][0028]式(4)中，y
r
表示给定的待跟踪常值向量；
[0029]步骤三：建立增广系统；
[0030]首先，组合卫星模拟器的离散高阶全驱系统模型在控制器u(k)的作用下，所得闭环系统为：
[0031][0032]式(5)对应的状态空间模型表达式为：
[0033][0034]式(6)中：表示组合卫星模拟器系统k+1时刻的状态，表示组合卫星模拟器系统k时刻的状态，Ψ(0
0～1
)和B
c
分别表示状态空间模型(6)对应的状态矩阵和控制输入矩阵，对应的表达式为：
[0035][0036]此外，定义：
[0037][0038]式(7)中：Δq(k)表示k时刻的误差向量，q(k+1)表示截止到k+1时刻的误差，q(k)表示截止到k时刻的误差；
[0039]结合输出方程(3)，相应的有：
[0040][0041]联立式(6)和式(8)，即得到如下形式的增广系统：
[0042][0043]式(9)中：表示增广系统k+1时刻的状态，表示增广系统k时刻的状态，表示增广系统的状态矩阵，
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离散高阶全驱系统方法的组合卫星模拟器控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：针对实验室的组合卫星模拟器系统，建立其离散高阶全驱系统模型；首先，给出组合卫星模拟器系统的连续时间二阶全驱系统形式，如下：式(1)中，表示状态向量，其中：x
c
表示组合卫星模拟器质心的x坐标，y
c
表示组合卫星模拟器质心的y坐标，表示组合卫星模拟器的偏航角，
T
表示转置，u＝[F
x F
y T
z
]
T
表示惯性坐标系下的控制输入向量，其中：F
x
表示作用在组合卫星模拟器x方向的推力，F
y
表示作用在组合卫星模拟器y方向的推力，T
z
表示转矩，d表示扰动项，且假设扰动满足恒定或慢时变条件，Γ表示扰动系数，B＝diag(1/M
c
,1/M
c
,1/J
c
)为控制矩阵，其中：M
c
和J
c
分别表示组合卫星模拟器的质量和转动惯量，显然，满足全驱条件：det B≠0组合卫星模拟器系统实际为离散控制系统，故需要对式(1)进行离散化，得：式(2)中：T
s
表示采样时间，x(k+1)表示k+1时刻的状态，x(k)表示k时刻的状态，表示k
‑
1时刻的状态，u(k)表示k时刻的输入，d(k)表示k时刻的扰动；定义组合卫星模拟器系统的输出方程为：式(3)中：y(k)表示k时刻的输出，C＝[I
3 03×3]表示输出矩阵，表示组合卫星模拟器系统的状态；I3表示三阶单位矩阵，03×3表示三阶0矩阵；综上，式(2)即为得到的组合卫星模拟器系统的离散高阶全驱系统模型，式(3)为对应的输出方程；步骤二：提出控制目标；我们需要使组合卫星模拟器系统的输出y(k)跟踪一个常值向量y
r
，因此，在组合卫星模拟器系统满足全驱条件下，针对步骤一中的离散高阶全驱系统模型(2)和输出方程(3)，设计一个控制器；其中：
‑1表示矩阵求逆，v(k)表示控制器u(k)中待设计的反馈部分，使得在该控制器作用下得到的闭环系统是稳定的，且满足：式(4)中，y
r
表示给定的待跟踪常值向量；步骤三：建立增广系统；首先，组合卫星模拟器的离散高阶全驱系统模型在控制器u(k)的作用下，所得闭环系统为：
式(5)对应的状态空间模型表达式为：式(6)中：表示组合卫星模拟器系统k+1时刻的状态，表示组合卫星模拟器系统k时刻的状态，Ψ(0

【专利技术属性】
技术研发人员：崔凯鑫，段广仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：