本发明专利技术一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设计方法，该方法有四大步骤：步骤一：设计闭环控制系统的结构；步骤二：设计前馈信号自适应学习控制器参数；步骤三：设计决策器；步骤四：进入设计结束阶段。本发明专利技术在原有控制方案的基础上，自适应学习出更为准确的前馈信号用于干扰动补偿，以提高温度控制精度，并且保证温度控制系统的稳定性。这种方法实施方便，所设计的前馈信号自适应学习控制器结构简单，在航天器温度控制技术领域内具有广泛的实用价值和应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，它与 绕地飞行航天器(以下简称航天器)舱内温度系统简化模型(属于一阶惯性环节) 有关，属于航天器温度控制
技术介绍
航天器(包括卫星，载人飞船等) 一般运行在近地轨道，处于近地空间 环境，空气非常稀薄，接近真空；它会受到太阳热辐射、地球热辐射、地球 反射及其它天体的辐射和反射，同时它还要向温度极低的太空辐射热量。在 这样的环境中，舱内温度控制系统变得非常重要。它不仅保障航天器上精密 仪器工作环境，而且保障航天员的生活和工作。徐向华在其博士学位论文"小型空间站热管理系统动态仿真与实验研究" 中指出影响航天器舱内温度主要因素包括(1)在轨热辐射环境的波动；(2) 发射和变轨过程中其外部环境发生的变化，或者在组装过程中其负荷的突然改 变；(3)宇航员的活动状态；(4)各种设备的开机、停机、故障，及某些设备的 周期性运行。从以上可以看出外界和内部环境对航天器舱内温度控制系统产生的 扰动非常复杂，具有很强的不确定性，但是主要呈现周期性。针对这种扰动，原有的控制方案一般如图l所示。它包括一个反馈控制 器和一个预先在地面计算好的前馈信号。反馈控制器的目的是使系统在没有 扰动情况下稳定和抑制外界的随机扰动(非周期扰动)，而前馈信号的目的 是补偿周期扰动。由于扰动特性复杂，预先计算好的前馈信号不能很好地补 偿外界和内部环境对航天器舱内温度控制系统产生的扰动；而且要获得更准 确的前馈信号，将需要花费越来越高的人力和物力成本。在这种技术背景下，本专利技术针对航天器温度系统简化模型设计一种周期 扰动补偿设计方法提高温度控制精度。该方案可以在原有的控制方案的基础5上，设计前馈信号自适应学习控制器用于干扰动补偿。该方案实施方便，并 且在系统存在不确定因素(包括结构型不确定)的情况下，可以保证前馈信 号自适应学习过程中温度控制系统的稳定性。
技术实现思路
1、 目的本专利技术的目的是提供一种航天器舱内温度控制系统的周期扰 动补偿设计方法，它克服了现有技术的不足，在原有控制方案的基础上，自 适应学习出更为准确的前馈信号用于干扰动补偿，以提高温度控制精度，并 且保证温度控制系统的稳定性。2、 技术方案本专利技术一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设 计方法，该方法具体步骤如下步骤一设计闭环控制系统的结构闭环控制系统采用单位负反馈的控制结构，输出量是温度信号。所设计的闭 环控制系统主要包括原有反馈控制器，前馈信号自适应学习控制器，决策器和 航天器舱内温度系统简化模型这四个部分，其结构布局情况见图2所示。温度传 感器测出舱内温度，然后与温度参考信号作差形成误差信号；误差信号同时提供 给决策器和原有反馈控制器；随后原有反馈控制器的输出作为前馈信号自适应学 习控制器的输入，同时前馈信号自适应学习控制器的输出被决策器所控制；最终 前馈信号自适应学习控制器的输出与原有反馈控制器的输出之和作为航天器舱 内温度系统简化模型的输入。航天器舱内温度系统简化模型、原有反馈控制器、前馈信号自适应学习控制 器和决策器的设计一般都采用高级语言(例如C语言或Ada等)编程实现而不采用 硬件模拟电路实现。下面将分别介绍这四个部分的功能。该航天器舱内温度系统简化模型用带有周期扰动的一阶惯性环节描述 ( ) = -jc (/) + m ( ) + ^ W ",)"(,) (1)射x(/) 表示系统状态；表示控制输入；表示系统输出； r 表示系统参数；表示外界扰动。该原有反馈控制器(如图l所示)描述为^(f，e)，其中的输入信号是误差信号(误差信号由参考信号减去输出信号求得)。它的作用是镇定闭环系统以及抑制 外界的随机扰动(非周期扰动)。原有反馈控制器是花费了人力和物力成本在线 调试得到，在不确定因素存在下，仍然能保证闭环系统的稳定性。这些已经通过 实际系统的验证。因此这一部分将不作任何改动。 该前馈信号自适应学习控制器描述为-<formula>formula see original document page 7</formula>其中<formula>formula see original document page 7</formula>表示前馈信号的初始值；T 表示扰动周期；s 表示折中因子；A 表示学习速率因子； G,e)表示原有反馈控制器信号； (0表示输出前馈信号。解(2)可以采用四阶龙格库塔方法，解的结果即为输出前馈信号""/)。前馈信号自适应学习控制器(2)三个参数("7。，""的具体设计将在"步骤二"中详细介绍。该决策器有两个功能， 一是通过温度控制的结果，不断保存控制结果最佳的 前馈信号；二是系统如果出现不稳定的迹象，立刻将前馈信号切换为最佳的前馈 信号，以保障系统的稳定性。决策器的具体设计将在"步骤三"中详细介绍。 步骤二设计前馈信号自适应学习控制器参数<formula>formula see original document page 7</formula>设置为原有的前馈信号，因为原有前馈信号是花费了人力和物力成本在线调试得到，并可能已经通过实际系统的验证。因此让其作为学习 前馈控制器的初始值更加可靠而且能使前馈信号更快收敛到最佳前馈。调试过程中，参数S，A:从O开始调节。比如让6 = ",。^ = "2&，其中<formula>formula see original document page 7</formula>。每调到一组参数，让系统进入稳态，然后通过观察温度误差对参数进行取舍。 步骤三设计决策器决策器有两个功能，这两个功能需要一个判断指标J("): J["二)J2^)^，其中J(W)表示第"个时间周期的判断指标，r表示扰动周期，e(Z)表示f时刻的 误差信号。决策器的第一个功能是决定何时保存控制效果最佳的前馈信号。如果 /(")Sc^/to,"22，那么^纽其中《取值在区间,视具体情况而定，/^,表示最佳指标；而且让最佳的前馈信号"^,设置为"』="/("("-iK)^=K,o]。决策器的第二个功能是决定何时将前馈信号切换至最佳前馈信号。在时刻"r时，如果/(")^"j^,，"22，那么就让前馈信号自适应学习控制器(i)的 ",(e)在区间上设置为",(e+(" _ i) r) = = 而且4,, = ^^,。修改4,,的目的是让判断指标^,增大，从而让下一次更新最佳前馈信号成为可能。 一般来说/ 取值在区间，视具体情况而定。决策 器流程如图3。步骤四进入设计结束阶段整个设计过程重点考虑了两个方面的控制需求，分别为外界周期扰动的补偿 以及温度控制系统的稳定性。围绕这两个方面，首先在上述步骤一中确定了整体 的控制方案及闭环控制系统的具体构成，值得注意的是原有反馈控制器将继续利用；步骤二中重点给出了前馈信号自适应学习控制器参数设计；步骤三中给出决 策器的决策逻辑设计。通过试验或仿真，若闭环系统稳定性达不到要求，那么重新返回步骤三，调小"和/ 在给定区间的取值。若闭环干扰补偿效果达不到要求， 那么重新返回步骤二步，增大e的取值。直至达到最好的效果，步骤如图4所示。 经上述各步骤后，设计结束。3、优点及功本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种航天器舱内温度控制系统的周期扰动补偿设计方法，其特征在于：该方法具体步骤如下： 步骤一：设计闭环控制系统的结构 闭环控制系统采用单位负反馈的控制结构，输出量是温度信号，所设计的闭环控制系统包括：原有反馈控制器、前馈信号自适应 学习控制器、决策器和航天器舱内温度系统简化模型四个部分；温度传感器测出舱内温度，然后与温度参考信号作差形成误差信号；误差信号同时提供给决策器和原有反馈控制器；随后原有反馈控制器的输出作为前馈信号自适应学习控制器的输入，同时前馈信号自适应学习控制器的输出被决策器所控制；最终前馈信号自适应学习控制器的输出与原有反馈控制器的输出之和作为航天器舱内温度系统简化模型的输入； 航天器舱内温度系统简化模型、原有反馈控制器、前馈信号自适应学习控制器和决策器的设计都采用高级语言编程实现； 该航天器舱内温度系统简化模型用带有周期扰动的一阶惯性环节描述 τ＊（ｔ）＝－ｘ（ｔ）＋ｕ（ｔ）＋ｄ（ｔ） ｙ（ｔ）＝ｘ（ｔ） （１） 其中： ｘ（ｔ）表示系统状态；ｕ（ｔ）表示控制输入；ｙ（ｔ）表示系统输出； τ表示系统参数；ｄ（ｔ）表示外界扰动； 该原有反馈控制器描述为ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ），其中的输入信号是误差信号，误差信号由参考信号减去输出信号求得，它的作用是镇定闭环系统以及抑制外界的随机扰动即非周期扰动；原有反馈控制器在不确定因 素存在下，仍然能保证闭环系统的稳定性； 该前馈信号自适应学习控制器描述为： ε＊↓［ｆ］（ｔ）＝－ｕ↓［ｆ］（ｔ）＋ｕ↓［ｆ］（ｔ－Ｔ）＋ｋ.ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ） ｕ↓［ｆ］（θ）＝ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］ （２） 其中： ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］表示前馈信号的初始值；Ｔ表示扰动周期； ε表示折中因子；ｋ表示学习速率因子； ｕ↓［ｂ］（ｔ，ｅ）表示原有反馈控制器信号；ｕ↓［ｆ］（ｔ）表示输出前馈信号； 解（２）式可以采用四阶龙格库塔方法，解的结果即为输出前馈信号ｕ↓［ｆ］（ｔ）； 该决策器有两个功能，一是通过温度控制的结果，不断保存控制结果最佳的前馈信号；二是系统如果出现不稳定的迹象，立刻将前馈信号切换为最佳的前馈信号，以保障系 统的稳定性； 步骤二：设计前馈信号自适应学习控制器三个参数ｕ↓［ｆ↓［０］］，ε，ｋ ｕ↓［ｆ↓［０］］（θ），θ∈［－Ｔ，０］...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡开元，全权，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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