一种航天器自主姿态控制方法技术

一种航天器自主姿态控制方法，包括步骤：1)根据航天器运动学动力学模型进行特征建模，获得维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法；2)根据航天器运动学动力学模型，建立自适应模糊控制算法；3)根据输入航天器的控制指令的类型，选择控制算法确定航天器控制律；4)根据判定函数确定监督控制律；5)根据所述航天器控制律和监督控制律，确定执行控制律，根据所述执行控制律进行航天器姿态控制。本发明专利技术方法在满足多层次、多样化控制任务的要求的同时，还能够提供具有更好控制性能和稳定性能的控制系统。

A Spacecraft Autonomous Attitude Control Method

An autonomous attitude control method for spacecraft includes the following steps: 1) feature modeling based on the kinematics and dynamics model of spacecraft to obtain maintenance tracking control algorithm, golden section control algorithm and fuzzy golden section control algorithm; 2) adaptive fuzzy control algorithm based on kinematics and dynamics model of spacecraft; 3) selection according to the type of control instructions input to spacecraft. The control algorithm determines the spacecraft control law; 4) determines the supervisory control law according to the decision function; 5) determines the execution control law according to the spacecraft control law and the supervisory control law, and carries out the spacecraft attitude control according to the execution control law. The method of the invention not only meets the requirements of multi-level and diversified control tasks, but also provides a control system with better control performance and stability performance.

【技术实现步骤摘要】
一种航天器自主姿态控制方法
本专利技术涉及一种航天器自主姿态控制方法，属于航天器控制

技术介绍
随着空间技术的发展，航天器结构变得越来越复杂，其模型更难以用精确的数学公式进行描述，且常具有非线性和不确定性等，同时还受到多种约束条件限制等。在航天器智能自主控制的需求下，针对越来越具有多层次、多样化控制任务要求的复杂航天器，如何自主的进行航天器姿态控制的问题，这是首先需要解决的问题。面对这样的问题，传统的控制理论和方法遇到了困难。目前出现的一些智能控制方法，如基于特征模型的智能自适应控制，它是根据被控对象的动力学特性、环境特征和控制性能要求相结合来进行控制；模糊控制，它是根据模仿人的控制经验而不是依赖于被控制对象的模型来进行控制，同时还有神经网络控制、专家控制、学习控制等。这些智能控制方法都已在实际工程中得到不同程度的应用，但这些智能控制方法依然存在一些问题需要解决，如基于特征模型的智能自适应控制的系统辨识问题，模糊控制的系统设计问题等。因此，单独的运用这些智能控制方法进行航天器的自主姿态控制依然会遇到困难。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有的控制方法不能实现对具有多层次、多样化控制任务要求和限制约束条件的挠性航天器进行自主姿态控制的问题，提供一种航天器自主姿态控制方法。本专利技术的技术解决方案是：一种航天器自主姿态控制方法，包括步骤如下：1)根据航天器运动学动力学模型进行特征建模，获得维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法；2)根据航天器运动学动力学模型，建立自适应模糊控制算法；3)根据所述输入航天器的控制指令的类型，以及所述步骤1)获得的维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法，以及所述步骤2)建立的自适应模糊控制算法，确定航天器控制律；4)根据判定函数确定监督控制律；5)根据所述步骤3)确定的航天器控制律和步骤4)确定的监督控制律，确定执行控制律，根据所述执行控制律进行航天器姿态控制。所述步骤3)确定航天器控制律的方法，具体为：31)判断输入航天器的控制指令的类型，当所述控制指令类型为姿态机动指令时，进入步骤32)；当所述控制指令类型为姿态稳定指令时，进入步骤33)；当所述控制指令类型为姿态旋转指令时，进入步骤34)；32)根据航天器控制系统的性能要求和限制约束条件进行航天器姿态机动路径规划获得姿态角速度，然后根据所述航天器姿态机动路径规划获得的姿态角速度，以及维持跟踪控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc；33)根据所述黄金分割控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc；34)根据所述模糊黄金分割控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc。所述步骤32)确定航天器控制律uc的方法，具体为：uc＝u0+uA，uA＝θTξ(x)，其中，ωr(k)为航天器姿态机动路径规划获得的姿态角速度，其表示在离散状态下k时刻的数值；ω(k)为航天器实际输出的姿态角速度，其表示在离散状态下k时刻的数值；k表示离散状态下的当前时刻，k-1表示离散状态下的上一时刻；λ为遗忘因子；为离散状态下的特征建模参数，其中θ＝[θ1,θ2,…,θN]T为可调参数向量；ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξN]T为模糊基函数向量；N为正整数；x为航天器的姿态角和姿态角速度。所述步骤33)确定航天器控制律uc的方法，具体为：uc＝ug+uA，uA＝θTξ(x)，e(k)＝y(k)-yr(k)，其中，y(k)为航天器实际输出的姿态角，其表示在离散状态下k时刻的数值；yr(k)为航天器目标姿态角，其表示在离散状态下k时刻的数值；k表示离散状态下的当前时刻，k-1表示离散状态下的上一时刻；λ为遗忘因子；为离散状态下的特征建模参数，θ＝[θ1,θ2,…,θN]T为可调参数向量；ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξN]T为模糊基函数向量；N为模糊规则数，N为正整数；x为航天器的姿态角和姿态角速度。所述步骤34)确定航天器控制律uc的方法，具体为：uc＝uf+uA，uA＝θTξ(x)，e(k)＝y(k)-yr(k)，其中，μi为归一化发放强度，μ1+μ2+…+μl＝1；为在l条T-S模糊规则下，第i条T-S模糊规则下所对应的黄金分割控制律；为第i条T-S模糊规则下所对应的离散状态下特征建模参数，ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξN]T为模糊基函数向量；l为正整数；N为模糊规则数，N为正整数；θ＝[θ1,θ2,…,θN]T为可调参数向量；x为航天器的姿态角和姿态角速度；λi为在l条T-S模糊规则下第i条T-S模糊规则下所对应的遗忘因子；y(k)为航天器实际输出的姿态角，其表示在离散状态下k时刻的数值；yr(k)为航天器目标姿态角，其表示在离散状态下k时刻的数值；k表示离散状态下的当前时刻，k-1表示离散状态下的上一时刻。所述步骤4)判定函数Vc具体为：e＝ym-yout，其中，矩阵P满足ΛcTP+PΛc＝-Q,Q为任意正定矩阵，Λc＝[0,1；-k2,-k1]，k1,k2的取值满足使得r(s)＝s2+k1s+k2为Hurwitz稳定多项式；ym为连续状态下航天器的目标姿态角，yout为连续状态下航天器实际输出的姿态角。所述步骤4)确定监督控制律us的方法，具体为：其中，为判定阈值，当时，当时，bc＝[0,b]T，b>0，bL为满足0≤bL≤b的任一常数；fU(x)为满足|f(x)|≤fU(x)的任一函数，f(x)根据航天器运动学动力学方程建立；k＝[k2,k1]T，k1,k2的取值满足使得r(s)＝s2+k1s+k2为Hurwitz稳定多项式。所述步骤5)根据航天器控制律和监督控制律确定执行控制律u的方法，具体为：u＝uc+us。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1)本专利技术采用基于特征模型的智能自适应控制方法，同时为了充分保证系统的控制效果，并将事先对航天器控制任务的模糊了解引入到控制系统中，在控制方法中特别的加入了自适应模糊控制，充分保证控制系统的控制性能。2)本专利技术方法能够针对航天器姿态控制的多重任务需求，有针对性的进行姿态控制。当系统接收到具体的控制指令时，根据控制指令的形式进行具体控制算法的选择，保证整个航天器姿态控制任务均能达到较为满意的控制效果。3)当航天器需要进行姿态机动控制时，在进行姿态控制之前，本专利技术方法利用粒子群优化算法进行姿态路径的规划，其规划可以在线进行，也可以离线进行。这样做一方面可以充分保证航天器姿态机动的快速性和稳定性，保证控制为最优，另一方面可以满足控制任务的层次需求。4)本专利技术方法在航天器姿态控制系统中特别的引入了监督控制律，充分保证整个控制任务的稳定性和鲁棒性。附图说明图1为本专利技术方法的流程；图2为本专利技术方法的原理框图。具体实施方式针对具有多层次、多样化控制任务要求和限制约束条件的挠性航天器姿态控制系统；本专利技术首先，根据挠性航天器非线性欧拉角运动学和姿态动力学进行特征建模，完成基于特征模型的智能自适应控制算法的建立，主要包括黄金分割控制算法、维持跟踪控制算法、模糊黄金分割控制算法；其次，根据挠性航天器非线性欧拉角运动学和姿态动力学所建立的非线性方程，建立自适应模糊控制算法；第三，由于在综合的控制任务中单一的控制算法并不能满足控制任务的整体要求，当系统接收到具体的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器自主姿态控制方法，其特征在于，包括步骤如下：1)根据航天器运动学动力学模型进行特征建模，获得维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法；2)根据航天器运动学动力学模型，建立自适应模糊控制算法；3)根据所述输入航天器的控制指令的类型，以及所述步骤1)获得的维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法，以及所述步骤2)建立的自适应模糊控制算法，确定航天器控制律；4)根据判定函数确定监督控制律；5)根据所述步骤3)确定的航天器控制律和步骤4)确定的监督控制律，确定执行控制律，根据所述执行控制律进行航天器姿态控制。

【技术特征摘要】
1.一种航天器自主姿态控制方法，其特征在于，包括步骤如下：1)根据航天器运动学动力学模型进行特征建模，获得维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法；2)根据航天器运动学动力学模型，建立自适应模糊控制算法；3)根据所述输入航天器的控制指令的类型，以及所述步骤1)获得的维持跟踪控制算法、黄金分割控制算法和模糊黄金分割控制算法，以及所述步骤2)建立的自适应模糊控制算法，确定航天器控制律；4)根据判定函数确定监督控制律；5)根据所述步骤3)确定的航天器控制律和步骤4)确定的监督控制律，确定执行控制律，根据所述执行控制律进行航天器姿态控制。2.根据权利要求1所述的一种航天器自主姿态控制方法，其特征在于，所述步骤3)确定航天器控制律的方法，具体为：31)判断输入航天器的控制指令的类型，当所述控制指令类型为姿态机动指令时，进入步骤32)；当所述控制指令类型为姿态稳定指令时，进入步骤33)；当所述控制指令类型为姿态旋转指令时，进入步骤34)；32)根据航天器控制系统的性能要求和限制约束条件进行航天器姿态机动路径规划获得姿态角速度，然后根据所述航天器姿态机动路径规划获得的姿态角速度，以及维持跟踪控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc；33)根据所述黄金分割控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc；34)根据所述模糊黄金分割控制算法和自适应模糊控制算法确定航天器控制律uc。3.根据权利要求2所述的一种航天器自主姿态控制方法，其特征在于，所述步骤32)确定航天器控制律uc的方法，具体为：uc＝u0+uA，uA＝θTξ(x)，其中，ωr(k)为航天器姿态机动路径规划获得的姿态角速度，其表示在离散状态下k时刻的数值；ω(k)为航天器实际输出的姿态角速度，其表示在离散状态下k时刻的数值；k表示离散状态下的当前时刻，k-1表示离散状态下的上一时刻；λ为遗忘因子；为离散状态下的特征建模参数，其中θ＝[θ1,θ2,…,θN]T为可调参数向量；ξ＝[ξ1,ξ2,…,ξN]T为模糊基函数向量；N为正整数；x为航天器的姿态角和姿态角速度。4.根据权利要求3所述的一种航天器自主姿态控制方法，其特征在于，所述步骤33)确定航天器控制律uc的方法，具体为：uc＝ug+uA，uA＝θTξ(x)，e(k)＝y(k)-yr(k)，其中，y(k)为航天器实际输出的姿态角，其表示在离散状态下k时刻的数值；yr(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯佳佳，王佐伟，何刚，姚蘅，李乐尧，张玉洁，沈扬帆，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11