一种运载火箭姿态控制参数智能整定方法技术

本发明专利技术公开了一种运载火箭姿态控制参数智能整定方法，包括：获取运载火箭姿态的非线性控制器参数和目标函数；采用量子樽海鞘算法，通过求解目标函数最大值对非线性控制器参数进行整定优化，确定最优非线性控制器参数；量子樽海鞘算法的确定包括：在标准樽海鞘算法基础上，采用量子位的概率幅编码方式确定量子樽海鞘状态；根据参数解空间中两个位置对应的正弦、余弦位置变量，确定两个位置坐标的目标函数值，并将最大值作为量子樽海鞘状态的目标函数值。本发明专利技术将量子理论与樽海鞘算法相结合，每个量子樽海鞘状态相当于占据优化参数空间中的两个位置，每个樽海鞘状态对应优化问题的两个解，提高了算法的遍历性，增加了算法的全局收敛速度。全局收敛速度。全局收敛速度。

【技术实现步骤摘要】
一种运载火箭姿态控制参数智能整定方法


[0001]本专利技术涉及运载火箭的非线性姿态控制器参数整定领域，特别涉及一种基 于量子樽海鞘算法的运载火箭姿态控制参数智能整定方法。

技术介绍

[0002]运载火箭非线性姿态控制器虽然相比传统运载火箭PID控制能够更好的 解决阵风、参数摄动、未知干扰等对火箭姿态控制的影响，但非线性控制器参 数相比PID控制大幅增加，由于非线性函数的引入，导致非线性控制器参数整 定呈现多变量、非线性、多极值等问题，无法获得类似PID控制器参数的解析 整定方法。因此，有必要将控制器参数整定问题转化为以控制性能为目标函数、 控制器参数为设计变量的优化设计问题来解决，针对非线性特征引入带来的问 题，可以采用具备多变量全局寻优能力的智能群集算法进行参数求解，从而实 现控制器参数的整定。
[0003]2017年，S.Mirjalili等根据自然界中樽海鞘的发光行为，提出了樽海鞘算 法(Salp Swarm Algorithm，SSA)[SEYEDALIM,AMIRHG, SEYEDEHZM,etal.Salp Swarm Algorithm:A bio
‑
inspired optimizer forengineering design problems[J].Advances in Engineering Software,2017,114(1): 163
‑
191.]，通过模拟樽海鞘的觅食行为而构建的一种智能优化算法，非常适合 解决多变量优化问题，是一种具有较强全局搜索能力、快速收敛和良好自适应 性的新型智能群集算法，该算法凭借其概念简单、步骤清晰、可实现性强等优 点被应用于解决数学、金融等领域的多变量参数优化设计问题。
[0004]但标准樽海鞘算法仍存在一些缺陷：虽然前期可以实现大范围快速收敛， 但后期收敛效率不佳；在固定步长下对全局最优结果的搜素精度并不理想。因 此，针对上述问题众多学者对算法开展了改进研究；例如针对固定步长问题， 引入自适应机制，动态调整步长提高后期寻优精度；将模拟退火算法与樽海鞘 算法相结合，进一步提升收敛速度等。上述研究均在一定程度上改善了樽海鞘 算法的性能，但后期收敛性能下降、全局寻优结果精度低、易陷入局部最优等 问题仍然存在，从提高控制参数整定效率和最优控制效果角度，有必要对樽海 鞘算法进行大幅改进，以获得更好的参数整定结果。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种运载火箭姿态控制参数智能 整定方法。
[0006]本专利技术实施例提供一种运载火箭姿态控制参数智能整定方法，包括：
[0007]获取运载火箭姿态的非线性控制器参数，并将时间乘以非线性控制器姿态 控制误差绝对值积分作为非线性控制器参数整定的目标函数；
[0008]采用量子樽海鞘算法，通过求解目标函数最大值对非线性控制器参数进行 整定优化，确定最优非线性控制器参数；
[0009]其中，所述量子樽海鞘算法的确定，包括：
[0010]在标准樽海鞘算法基础上，采用量子位的概率幅编码方式，确定量子樽海 鞘状态；其中，所述量子樽海鞘状态占据参数解空间中两个位置，分别对应量 子态|0>和|1>的概率幅；
[0011]根据参数解空间中两个位置对应的正弦位置变量和余弦位置变量，确定参 数解空间中两个位置坐标的目标函数值，并将参数解空间中两个位置坐标的目 标函数值的最大值作为量子樽海鞘状态的目标函数值；
[0012]将量子樽海鞘状态的目标函数值中的最大值和对应的参数解空间位置赋 值给公告板。
[0013]在其中一个实施例中，所述非线性控制器参数和所述非线性控制器参数整 定的目标函数的确定，具体包括：
[0014]建立运载火箭姿态运动模型；
[0015]根据运载火箭姿态运动模型的阶数，设计积分链式微分器对姿态角偏差测 量信号进行跟踪，所述积分链式微分器的表达式为：
[0016][0017][0018][0019]式中，r为跟踪速度因子，v为姿态角偏差测量信号，分别为姿 态角偏差测量信号v的跟踪估计值、速度估计值和加速度估计值；
[0020]从加速度估计值中去掉运载火箭姿态运动模型中的已建模部分f0(x,u)， 对模型存在的内外不确定项进行估计，获得不确定部分补偿器
[0021][0022]通过主控制器u
control
和不确定部分补偿器构建非线性反馈控制器：
[0023][0024][0025][0026]式中，为当前姿态角偏差控制指令；b
30
为标称系统控制项参数；D
t
为 樽海鞘之间的距离集合；
[0027]通过非线性反馈控制器的5个参数和积分链式微分器的1个参数，形成非 线性控制器参数X＝[K
p K
i K
d α β r]T
；
[0028]根据非线性控制器参数，确定非线性控制器参数整定的目标函数 [0029]在其中一个实施例中，所述量子樽海鞘状态，包括：
[0030][0031]式中，θ
ij
＝2π
×
radmn，i＝1,2,
…
,m，j＝1,2,
…
,n，radmn为(0,1)之间的随机数； m是种群规模；n是优化变量空间维数；每个樽海鞘状态占据参数解空间中的 两个位置，分别对应量子态|0>和|1>的概率幅，即
[0032]S
Qic
＝(cos(θ
i1
),cos(θ
i2
),
…
,cos(θ
in
))
[0033]S
Qis
＝(sin(θ
i1
),sin(θ
i2
),
…
,sin(θ
in
))
[0034]式中，S
Qic
为余弦状态，S
Qis
为正弦状态。
[0035]在其中一个实施例中，所述量子樽海鞘状态的目标函数值的确定，具体包 括：
[0036]设当前量子状态S
Qi
上的第k个量子位为则相应的解空间中对应 的正弦、余弦位置变量X
Qij
，j＝c,s表示为：
[0037][0038][0039]通过I0(X
Qi
)计算当前量子状态S
Qi
对应的每个解空间位置坐标 X
Qij
，j＝c,s的目标函数值，并取最大值作为当前量子位的目标函数值：
[0040][0041]式中，I0(
·
)为樽海鞘算法的自身亮度；[Low
k
,High
k
]为第k个设计变量的寻 优范围，High
k
为范围上界、Low...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运载火箭姿态控制参数智能整定方法，其特征在于，包括：获取运载火箭姿态的非线性控制器参数，并将时间乘以非线性控制器姿态控制误差绝对值积分作为非线性控制器参数整定的目标函数；采用量子樽海鞘算法，通过求解目标函数最大值对非线性控制器参数进行整定优化，确定最优非线性控制器参数；其中，所述量子樽海鞘算法的确定，包括：在标准樽海鞘算法基础上，采用量子位的概率幅编码方式，确定量子樽海鞘状态；其中，所述量子樽海鞘状态占据参数解空间中两个位置，分别对应量子态|0>和|1>的概率幅；根据参数解空间中两个位置对应的正弦位置变量和余弦位置变量，确定参数解空间中两个位置坐标的目标函数值，并将参数解空间中两个位置坐标的目标函数值的最大值作为量子樽海鞘状态的目标函数值；将量子樽海鞘状态的目标函数值中的最大值和对应的参数解空间位置赋值给公告板。2.如权利要求1所述的运载火箭姿态控制参数智能整定方法，其特征在于，所述非线性控制器参数和所述非线性控制器参数整定的目标函数的确定，具体包括：建立运载火箭姿态运动模型；根据运载火箭姿态运动模型的阶数，设计积分链式微分器对姿态角偏差测量信号进行跟踪，所述积分链式微分器的表达式为：所述积分链式微分器的表达式为：所述积分链式微分器的表达式为：式中，r为跟踪速度因子，v为姿态角偏差测量信号，分别为姿态角偏差测量信号v的跟踪估计值、速度估计值和加速度估计值；从加速度估计值中去掉运载火箭姿态运动模型中的已建模部分f0(x,u)，对模型存在的内外不确定项进行估计，获得不确定部分补偿器获得不确定部分补偿器通过主控制器u
control
和不确定部分补偿器构建非线性反馈控制器：构建非线性反馈控制器：构建非线性反馈控制器：式中，为当前姿态角偏差控制指令；b
30
为标称系统控制项参数；D
t
为樽海鞘之间的距离集合；通过非线性反馈控制器的5个参数和积分链式微分器的1个参数，形成非线性控制器参数X＝[K
p K
i K
d α β r]
T
；根据非线性控制器参数，确定非线性控制器参数整定的目标函数
3.如权利要求1所述的运载火箭姿态控制参数智能整定方法，其特征在于，所述量子樽海鞘状态，包括：式中，θ
ij
＝2π
×
radmn，i＝1,2,
…
,m，j＝1,2,
…
,n，radmn为(0,1)之间的随机数；m是种群规模；n是优化变量空间维数；每个樽海鞘状态占据参数解空间中的两个位置，分别对应量子态|0>和|1>的概率幅，即S
Qic
＝(cos(θ
i1
),cos(θ
i2
),
…
,cos(θ
in
))S
Qis
＝(sin(θ
i1
),sin(θ
i2
),
…
,sin(θ
in
))式中，S
Qic
为余弦状态，S

【专利技术属性】
技术研发人员：高华宇，王佩，张科，吕梅柏，邢超，周大明，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：