一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法组成比例

一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，本发明专利技术涉及多执行机构协同控制分配方法。本发明专利技术是为了解决现有的面向姿轨一体化控制分配策略对推力器燃料使用率低及执行机构间相互配合少的问题。本发明专利技术首先将轨控期望控制力和姿控期望控制力矩在既能轨控又能姿控的推力器间进行分配，在此分配过程中，优先满足轨道控制需求，并在不额外消耗多余燃料的前提下，优化求解出与姿控期望控制力矩最接近的推力器控制分配方案，然后再将剩余期望控制力矩在只能用于姿控的执行机构间进行分配。在完成姿轨一体化控制任务的同时，减少推力器燃料消耗，降低飞轮、磁力矩等姿控型执行机构负担，延长航天器在轨寿命。本发明专利技术应用于航天器控制领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法。
技术介绍
姿轨一体化控制是指航天器在轨运行时，同时考虑轨道与姿态机动任务，实现对轨道和姿态同时控制的一门控制技术，广泛应用于空间交会对接、航天器编队以及接近操作等复杂航天任务中。传统上航天器都是采用轨道和姿态单独控制模式，为此，需要分别设计轨道控制算法和姿态控制算法并配备相应的执行机构，若通过共用一套执行机构配置实现姿态和轨道的控制，将能够充分发挥执行机构的控制能力，提高系统的功能密度，满足现代航天器小型化需求，同时考虑到姿态和轨道实际是相互耦合的，若能实现姿轨一体化控制，将能够提高控制系统控制精度，提升飞行器的在轨性能。控制分配是一种在满足容许约束下，完成期望控制量到执行机构控制指令确定任务，并能够提供额外的设计自由度，使得系统的实际输出与期望控制量尽可能一致，同时能够提供额外设计自由度以实现特定需求的一种控制设计技术，该方法为实现姿轨一体化问题提供了一条可行途径。目前，根据控制算法是否具有实时性，可以将解决控制分配问题的算法分为静态控制分配算法和动态控制分配算法，静态控制分配算法包括传统指令直接分配方式以及固化的分配列表方式；而动态控制分配方法包括广义逆法、线性规划方法、二次规划算法等，该类控制分配方法根据执行机构的约束条件和优化目标，将控制分配问题转化为数学优化问题，并根据期望控制量进行实时计算和调整，使其具有容错性能强、鲁棒性好的特点，也为此备受青睐。对于航天器来讲，按照执行机构的功能，可以将执行机构分为两大类，一类是以推力器为典型代表的多功能型执行机构，另一类是只能用于姿态控制的单一功能型执行机构，主要包括动量交换型的飞轮、环境场类型的重力梯度杆和磁力矩器等。推力器是一类既能用于轨控又能用于姿控的特殊执行机构，同时也是目前唯一应用于在轨航天器的轨控执行机构，虽然它具有如此多的优势，但是它工作需要消耗燃料，而燃料是影响航天器在轨寿命的直接因素，为此，推力器在使用时受到了诸多限制。现有的面向姿轨一体化控制的控制分配策略往往是一种解耦形式的控制分配策略，通常将轨道期望推力和姿态期望控制力矩单独考虑，未考虑推力器在输出推力和力矩时的相互耦合作用，这种解耦式的控制分配策略的执行机构使用效率低，容易造成燃料浪费。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的面向姿轨一体化控制分配策略对推力器燃料使用率低及执行机构间相互配合少的问题，而提出的一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法。一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法按以下步骤实现：步骤一：根据期望控制力Fc，利用推力修正系数优化模型，将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型，求解期望推力修正因子k，计算输出期望控制力Fm,c；Fm,c＝kFc (16)步骤二：根据期望控制力矩Tc和步骤一得到的输出期望控制力Fm,c，利用燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型，将燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型转化为标准的线性规划模型，并计算期望控制力矩残差Te,c，其中期望控制力矩残差为期望控制力矩与推力器实际输出力矩的差值；步骤三：根据步骤二中得到的期望控制力矩残差Te,c，利用力矩分配误差最小的优化模型，将力矩分配误差最小的优化模型转化为标准的线性规划模型，计算姿控性执行机构的控制指令v。专利技术效果：一、本专利技术提出了一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，该方法充分发挥各种执行机构的特点，能够有效地完成姿轨一体化控制任务。二、多执行机构控制策略考虑推力器既能轨控又能姿控的独特优势，同时考虑到推力器燃料的约束限制，针对推力器，通过满足轨控期望推力需求且在不消耗燃料的前提下对姿态力矩进行控制分配，能够显著提高推力器燃料使用效率。三、在姿轨一体化控制过程中，推力器在进行轨道控制的同时，考虑对姿态进行控制，可降低飞轮、磁力矩器等姿控型执行机构的控制负担，避免飞轮出现转速饱和出现情况的概率。四、针对姿轨一体化控制分配面临的多目标以及多约束问题，提出了将其分解为多个简单的子优化问题，可以通过任意更换目标函数中优化函数的形式，满足各种控制优化任务，本专利技术方法具有很好的扩展性和灵活性。附图说明图1为本专利技术的姿轨一体化控制系统框图；图2为本专利技术流程图。具体实施方式具体实施方式一：如图1和图2所示，一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法包括以下步骤：步骤一：根据期望控制力Fc，利用面向推力分配误差最小的推力修正系数优化模型，将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型，求解期望推力修正因子k，计算输出期望控制力Fm,c；其中期望推力修正因子k是针对期望控制量超出执行机构输出能力范围时，对期望推力进行修正。Fm,c＝kFc (16)步骤二：针对推力器，根据期望控制力矩Tc和步骤一得到的输出期望控制力Fm,c，利用保证推力分配误差最小前提下燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型，将燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型转化为标准的线性规划模型，确定推力器控制指令u，并计算期望控制力矩残差Te,c，其中期望控制力矩残差为期望控制力矩与推力器实际输出力矩的差值；步骤三：针对飞轮、磁力矩器等姿控型执行机构，根据步骤二中得到的期望控制力矩残差Te,c，利用力矩分配误差最小的优化模型，将力矩分配误差最小的优化模型转化为标准的线性规划模型，计算姿控性执行机构的控制指令v。对于步骤一至步骤三中的优化模型，均将其转化为标准的线性规划模型进行求解，标准的线性规划模型为：Min J＝cTx (13)St.Dx＝b (14)0≤x≤h (15)标准线性规划模型可表示为(cT,D,b,h,x)。因此，步骤一至步骤三中的优化模型，可以将它们转化为标准线性规划模型(cT,D,b,h,x)。本专利技术是一种分步协同式分配方法，该方法考虑姿轨一体化控制目标、推力器既能轨控又能姿控但需耗燃而飞轮、磁力矩器等姿控制型机构不耗燃但姿控控制能力小等各类执行机构输出特性，本专利技术首先将轨控期望控制力和姿控期望控制力矩在既能轨控又能姿控的推力器间进行分配，在此分配过程中，优先满足轨道控制需求，并在不额外消耗多余燃料的前提下，优化求解出与姿控期望控制力矩最接近的推力器控制分配方案，然后再将剩余期望控制力矩在只能用于姿控的执行机构间进行分配。本专利技术通过该控制分配方法在完成姿轨一体化控制任务的同时，减少推力器燃料消耗，降低飞轮、磁力矩等姿控型执行机构负担，延长航天器在轨寿命。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中推力修正系数优化模型具体为：Min J＝-k (1)St.Bu＝kFc (2)ui,min＜ui＜ui,max,i＝1,2,…,n (3)其中ui为第i个推力器，n为推力器数目(表示有n列矩阵)，k为推力修正系数，B为推力器的推力控制效率矩阵，u为推力器的控制指令，J为目标函数。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型的具体形式为：D=D3×n-BFcI3×nI3×n03×1,b=Buminumax-umincT=01&ti本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，其特征在于，所述分配方法包括以下步骤：步骤一：根据期望控制力Fc，利用推力修正系数优化模型，将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型，求解期望推力修正因子k，计算输出期望控制力Fm,c；Fm,c＝kFc   (16)步骤二：根据期望控制力矩Tc和步骤一得到的输出期望控制力Fm,c，利用燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型，将燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型转化为标准的线性规划模型，确定推力器控制指令u，并计算期望控制力矩残差Te,c，其中期望控制力矩残差为期望控制力矩与推力器实际输出力矩的差值；步骤三：根据步骤二中得到的期望控制力矩残差Te,c，利用力矩分配误差最小的优化模型，将力矩分配误差最小的优化模型转化为标准的线性规划模型，计算姿控性执行机构的控制指令v。

【技术特征摘要】
1.一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，其特征在于，所述分配方法包括以下步骤：步骤一：根据期望控制力Fc，利用推力修正系数优化模型，将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型，求解期望推力修正因子k，计算输出期望控制力Fm,c；Fm,c＝kFc (16)步骤二：根据期望控制力矩Tc和步骤一得到的输出期望控制力Fm,c，利用燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型，将燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型转化为标准的线性规划模型，确定推力器控制指令u，并计算期望控制力矩残差Te,c，其中期望控制力矩残差为期望控制力矩与推力器实际输出力矩的差值；步骤三：根据步骤二中得到的期望控制力矩残差Te,c，利用力矩分配误差最小的优化模型，将力矩分配误差最小的优化模型转化为标准的线性规划模型，计算姿控性执行机构的控制指令v。2.根据权利要求1所述的一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，其特征在于，所述步骤一中推力修正系数优化模型具体为：Min J＝-k (1)St.Bu＝kFc (2)ui,min<ui<ui,max,i＝1,2,…,n (3)其中ui为第i个推力器，n为推力器数目，B为推力器的推力控制效率矩阵，u为推力器的控制指令。3.根据权利要求2所述的一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，其特征在于，所述步骤一中将推力修正系数优化模型转化为标准的线性规划模型的具体形式为：D=D3×n-BFcI3×nI3×n03×1,b=Buminumax-umincT=01×n01×n1h=umax-uminumax-umin1,x=u+u-k---(4)]]>其中umax＝[u1，max u2，max ... un，max]T，umin＝[u1，min u2，min ... un，min]T，I3×n代表元素为1的3行n列矩阵，03×n代表元素为0的3行n列矩阵，03×1代表元素为0的3行1列矩阵，01×n代表元素为0的1行n列矩阵，而u+＝umax-u，u_＝u-umin。4.根据权利要求3所述的一种面向姿轨一体化控制的多执行机构协同控制分配方法，其特征在于，所述步骤二中燃料消耗和力矩分配误差最小的混合优化模型具体为：Min J＝||A1u-Tc||1+ε||u||1 (5)St.Bu＝Fm，c (6)ui，min＜ui＜ui，max，i＝1，2，…，n (3)ε为权重系数，A1为步骤一确定的推力器控制力矩效率矩阵，Tc为期望控制力矩。5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张世杰，聂涛，赵亚飞，曹喜滨，叶东，孙兆伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23