一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法技术方案

本发明专利技术提出了一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，包括以下步骤：首先建立充液挠性航天器的动力学模型；再获取充液挠性航天器的角加速度曲线、角速度曲线、得到多段的角位置曲线，对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划；再计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式；采用PD控制系统对充液挠性航天器进行姿态控制；联合优化充液挠性航天器控制器和机动路径的参数：采用基于自适应网格的多目标粒子群优化算法对充液挠性航天器的控制器和机动路径参数进行联合优化。本发明专利技术的方法减少了姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发，实现了充液挠性航天器姿态大角度快速机动快速稳定控制。

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法
本专利技术属于航天器姿态控制领域，特别是一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法。
技术介绍
为完成复杂任务并延长在轨运行寿命，现代航天器需要携带大量液体燃料和轻质附件，这种充液挠性航天器的姿控系统具有刚柔液耦合的复杂非线性动力学特性，姿态机动极易诱发液体晃动和附件振动，这对实现航天器姿态大角度快速机动、快速稳定控制提出了巨大挑战。对充液挠性航天器动力学的研究表明，在姿态快速机动过程中，姿态角加速度的突变(即不连续性)常导致挠性帆板的强烈振动和液体的强烈晃动，同时，在机动过程中角加速度、角速度以及控制力矩易受到执行机构的限制。因此，需对航天器姿态机动的路径进行规划，寻找最优的姿态控制器参数及机动路径参数，以减少姿态机动对挠性附件振动和液体晃动的激发。目前迫切需要一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，使得充液挠性航天器能够快速完成大角度姿态机动并获得高的稳定度。但是现有技术中尚无相关描述。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，以减少姿态机动对挠性附件振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立充液挠性航天器的动力学模型：一类带有挠性太阳能帆板及液体燃料的三轴航天器的姿态动力学方程、挠性附件振动方程和液体燃料晃动方程；步骤2、获取充液挠性航天器的角加速度曲线、角速度曲线、得到多段的角位置曲线，对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划；步骤3、计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式；利用角加速度最大值、角加速度微分曲线中非零段时间和的一半或角加速度曲线中非零段时间和的一半、航天器角速度最大值、期望机动的角度，解算出航天器每段曲线中角位置的表达式；步骤4、采用PD控制系统对充液挠性航天器进行姿态控制；...

【技术特征摘要】
1.一种刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立充液挠性航天器的动力学模型：一类带有挠性太阳能帆板及液体燃料的三轴航天器的姿态动力学方程、挠性附件振动方程和液体燃料晃动方程；步骤2、获取充液挠性航天器的角加速度曲线、角速度曲线、得到多段的角位置曲线，对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划；步骤3、计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式；利用角加速度最大值、角加速度微分曲线中非零段时间和的一半或角加速度曲线中非零段时间和的一半、航天器角速度最大值、期望机动的角度，解算出航天器每段曲线中角位置的表达式；步骤4、采用PD控制系统对充液挠性航天器进行姿态控制；步骤5、联合优化充液挠性航天器控制器参数和机动路径的参数：采用基于自适应网格的多目标粒子群优化算法对航天器的控制器参数和机动路径参数进行联合优化。2.根据权利要求1所述的刚柔液耦合系统姿态控制器参数和机动路径参数联合优化方法，其特征在于，步骤1建立的姿态动力学方程、挠性附件振动方程和液体燃料晃动方程，分别为：其中：I为航天器转动惯量；ω∈R3×1为航天器角速度；ω×∈R3×3表示ω的斜对称矩阵；C0∈R3×n为挠性振动运动与航天器转动运动耦合系数矩阵；G1∈R2×m，C1∈Rm×3，C2∈Rm×3均为液体晃动运动与航天转动之间的耦合系数矩阵；τ∈R3×1为控制力矩矢量；Td∈R3×1为环境干扰力矩；ζ∈Rn×n为挠性附件振动模态阻尼比；Λ∈Rn×n为挠性附件振动模态频率矩阵；Λ2∈Rm×m为液体晃动模态频率平方矩阵；η∈Rn×1为挠性体振动模态矢量；q∈Rm×1为液体晃动模态矢量；α为航天器的姿态角矢量，3.根据权利要求2所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，步骤2对充液挠性航天器姿态机动路径进行规划，采用将角加速度微分曲线划分为多段并对每段曲线进行积分，即得整个机动路径的角加速度多段曲线，再对角加速度曲线积分，即得整个机动路径的角速度多段曲线；再对角速度曲线积分，即得整个机动路径的角位置多段曲线，实现对充液挠性航天器姿态机动路径的规划。4.根据权利要求3所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，步骤3计算角位置多段曲线中每段曲线的表达式，具体包括以下步骤：步骤3.1、定义j轴期望机动的角度其中，j＝x,y,z分别表示航天器的滚动轴、俯仰轴、偏航轴；步骤3.2、定义j轴航天器角速度最大值Vmax_j；步骤3.3、获取j轴两个机动路径参数：角加速度最大值amax_j、角加速度微分曲线中非零段时间和的一半Tj或角加速度曲线中非零段时间和的一半Tj；步骤3.4、解算出航天器每段曲线中角位置的表达式。5.根据权利要求4所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，PD控制律为：其中，qd为规划的欧拉角角位置输出，为规划的欧拉角角速度输出，为规划的欧拉角角加速度输出；qp为实际的欧拉角角位置输出，为实际的欧拉角角速度输出；e＝qd-qp为欧拉角角位置误差向量；为欧拉角角速度误差向量；Kp为比例系数矩阵，Kd为微分系数矩阵；然后对输出进行限幅，控制力矩向量为ulimit为实际系统所允许的最大控制力矩输出向量。6.根据权利要求5所述的刚柔液耦合系统姿态控制器和机动路径联合优化方法，其特征在于，步骤5联合优化充液挠性航天器控制器和机动路径的参数，具体包括以下步骤：步骤5.1、建立多目标粒子群优化算法的表达式：式中：d表示粒子的维数；i表示第i个粒子；和分别代表粒子在k时刻的运动速度向量和位置向量；和分别代表粒子在k+1时刻的运动速度向量和位置向量；为粒子在k时刻的自身最优位置；为群体在k时刻的全局最优位置；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭毓，朱锐，王璐，朱志浩，虞文杰，姚伟，陈庆伟，郭健，吴益飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32