一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，包括：选择混合执行机构CMG+RW的构型和操纵律；确定CMG最大框架角速度和RW最大角加速度；根据航天器姿态机动任务要求，获取控制力矩要求，并得到最大控制力矩；判断最大控制力矩情况，并匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；根据匹配得到的单个CMG转子角动量大小和单个RW的转动惯量选择混合执行机构。本发明专利技术首次采用根据具体的设计要求对混合执行机构进行构型配置优化，保证混合执行机构能无误差地输出控制力矩，并尽可能减小该混合执行机构的质量、体积和能量能耗，从而有利于航天器的小型化和轻量化，并有利于增加星上有效载荷。

A configuration optimization method of hybrid actuators based on the control law of Tu cooperative game

【技术实现步骤摘要】
一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法
本专利技术涉及卫星姿态控制技术，尤其涉及一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法。
技术介绍
航天器姿态机动的敏捷性需要姿态控制执行机构保障，即需要执行机构高精度输出大力矩，由控制力矩陀螺(ControlMomentGyro,CMG)和反作用飞轮(ReactionWheel,RW)组合成的混合执行机构CMG+RW能够满足该要求，并且性能远远优于由其他执行机构组合而成的混合执行机构。不同任务需要的控制力矩不同，则配置的混合执行机构CMG+RW的大小也不同；混合执行机构CMG+RW的配置不足，则无法满足设计要求，使得输出力矩误差较大；混合执行机构CMG+RW的配置过大，尽管能满足设计要求，但其占星上的质量和体积也较大，且能耗随之增加，造成星上资源浪费，不利于增加有效载荷。因此，需要对混合执行机构CMG+RW进行配置优化，使得混合执行机构CMG+RW在能满足设计要求的同时，质量和体积尽可能小。针对混合执行机构CMG+RW，大部分的优化针对于其操纵律层面上的设计，例如分别基于合作博弈论和TU合作博弈论设计了混合执行机构操纵律，通过使CMG框架角速度和RW角加速度最小化，优化混合执行机构CMG+RW的角动量路径，在保证输出力矩无误差的同时，对角动量进行管理，减少能耗。但所有混合执行机构操纵律保障输出力矩无误差的前提均为混合执行机构构型配置与设计要求匹配，即操纵律层面上的设计与构型配置层面上的优化有区别，且操纵律的设计无法真正保障输出力矩精度。然而，目前尚未有针对混合执行机构CMG+RW进行构型配置优化的研究。较为相似的，例如针对单轴快速机动任务设计了新的RW构型，并对该构型的安装夹角进行优化设计，解决RW能力利用不充分的问题。另有，通过有限元建模设计陀螺在柔性上安装的位置，以抑制柔性体的快速振动。再有根据能控性指标和能观性指标，判断各执行机构和敏感器组合特性的判断指标，并根据该指标选择配置节点，该方法主要针对执行机构和敏感器安装数量和安装位置的优化，未对执行机构的大小进行配置。再有，通过对飞轮内部结构进行设计，完成对电机的优化操作，以实现轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机多目标协同优化。上述研究均未涉及混合执行机构CMG+RW构型配置优化。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的是提供一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，能在保证CMG不陷入奇异状态的前提条件下，给出混合执行机构CMG+RW构型参数配置的法则。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，包括以下步骤：(1)选择混合执行机构CMG+RW的构型和操纵律；(2)确定可选CMG的最大框架角速度和可选RW的最大角加速度(3)根据航天器姿态机动任务要求，获取控制力矩要求，并得到最大控制力矩；(4)假如ux,max＞＞uy,max并且ux,max＞＞uz,max，或，uy,max＞＞ux,max并且uy,max＞＞uz,max，或，uz,max＞＞ux,max并且uz,max＞＞uy,max，为单通道大力矩情况，进入步骤(5)；假如ux,max≈uy,max＞＞uz,max，或uy,max≈uz,max＞＞ux,max，或ux,max≈uz,max＞＞uy,max，为双通道大力矩输出情况，进入步骤(6)；假如ux,max≈uz,max≈uy,max，为三通道大力矩输出情况，进入步骤(7)；(5)根据单通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；(6)根据双通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；(7)根据三通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；(8)根据匹配得到的单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW选择混合执行机构。进一步的，步骤(1)中混合执行机构CMG+RW的构型包括M个控制力矩陀螺CMG和N个反作用飞轮RW，并选择TU合作博弈操纵律作为混合执行机构操纵律。进一步的，步骤(3)中控制力矩要求，包括x、y和z通道的最大控制力矩ux,max、uy,max和uz,max，并取最大力矩值为：umax＝max(ux,max,uy,max,uz,max)。进一步的，步骤(5)中单通道大力矩情况根据下式匹配混合执行机构，单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW应满足：umax,CMG＝umax,RW＝umax其中，Sa为系统奇异度量函数，|Sa|min为Sa绝对值的最小值，umax,CMG和umax,RW分别为基于CMG的输出性能和基于RW的输出性能，和分别为第k个CMG的x通道函数、y通道函数和z通道函数，和分别为第k个RW的x通道函数、y通道函数和z通道函数，进入步骤(8)。进一步的，步骤(6)中双通道大力矩输出情况根据下式匹配混合执行机构，单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW应满足：umax,CMG＝umax,RW＝umax；其中，Sa为系统奇异度量函数，|Sa|min为Sa绝对值的最小值，umax,CMG和umax,RW分别为基于CMG的输出性能和基于RW的输出性能，和分别为第k个CMG的x通道函数、y通道函数和z通道函数，和分别为第k个RW的x通道函数、y通道函数和z通道函数，进入步骤(8)。进一步的，步骤(7)中三通道大力矩输出情况根据下式匹配混合执行机构，单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW应满足：umax,CMG＝umax,RW＝umax；其中，Sa为系统奇异度量函数，|Sa|min为Sa绝对值的最小值，umax,CMG和umax,RW分别为基于CMG的输出性能和基于RW的输出性能，和分别为第k个CMG的x通道函数、y通道函数和z通道函数，和分别为第k个RW的x通道函数、y通道函数和z通道函数，进入步骤(8)。进一步的，步骤(8)中当匹配的混合执行机构CMG+RW能满足任务要求时，CMG框架角速度最大值和RW角加速度最大值与最大控制力矩umax满足以下不等式组：其中，和分别为第k个CMG的x通道函数、y通道函数和z通道函数，和分别为第k个RW的x通道函数、y通道函数和z通道函数，umax为最大力矩值，|Sa|min为混合执行机构CMG+RW的系统奇异度量函数绝对值的最小值。进一步的，步骤(8)中混合执行机构构型配置受混合执行机构CMG+RW的系统奇异度量函数绝对值的最小值|Sa|min影响，保证|Sa|min值与单个CMG转子角动量大小h0和单个RW的转动惯量JRW成反比。有益效果：与现有技术相比，本专利技术首次根据具体设计要求对混合执行机构CMG+RW进行构型配置优化，保证混合执行机构CMG+RW能无误差地输出控制力矩，并尽可能减小该混合执行机构的质量、体积和能量能耗，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)选择混合执行机构CMG+RW的构型和操纵律；/n(2)确定可选CMG的最大框架角速度

【技术特征摘要】
1.一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择混合执行机构CMG+RW的构型和操纵律；
(2)确定可选CMG的最大框架角速度和可选RW的最大角加速度
(3)根据航天器姿态机动任务要求，获取控制力矩要求，并得到最大控制力矩；
(4)假如ux,max＞＞uy,max并且ux,max＞＞uz,max，或，uy,max＞＞ux,max并且uy,max＞＞uz,max，或，uz,max＞＞ux,max并且uz,max＞＞uy,max，为单通道大力矩情况，进入步骤(5)；假如ux,max≈uy,max＞＞uz,max，或uy,max≈uz,max＞＞ux,max，或ux,max≈uz,max＞＞uy,max，为双通道大力矩输出情况，进入步骤(6)；假如ux,max≈uz,max≈uy,max，为三通道大力矩输出情况，进入步骤(7)；
(5)根据单通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；
(6)根据双通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；
(7)根据三通道大力矩输出情况匹配CMG转子角动量和RW转动惯量；
(8)根据匹配得到的单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW选择混合执行机构。


2.根据权利要求1所述的一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，其特征在于，步骤(1)中混合执行机构CMG+RW的构型包括M个控制力矩陀螺CMG和N个反作用飞轮RW，并选择TU合作博弈操纵律作为混合执行机构操纵律。


3.根据权利要求1所述的一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，其特征在于，步骤(3)中控制力矩要求，包括x、y和z通道的最大控制力矩ux,max、uy,max和uz,max，并取最大力矩值为：umax＝max(ux,max,uy,max,uz,max)。


4.根据权利要求1所述的一种基于TU合作博弈操纵律的混合执行机构构型配置优化方法，其特征在于，步骤(5)中单通道大力矩情况根据下式匹配混合执行机构，单个CMG转子角动量大小h0，和单个RW的转动惯量JRW应满足：



umax,CMG＝umax,RW＝umax；
其中，Sa为系统奇异度量函数，|Sa|min为Sa绝对值的最小值，umax,CMG和umax,RW分别为基于CMG的输出性能和基于RW的输出性能，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴云华，郑墨泓，何梦婕，陈志明，华冰，朱翼，许心怡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32