一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法技术方案

本发明专利技术公开的一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，属于航天器动力学与控制领域。本发明专利技术实现方法为：构建绳系拖曳系统简化模型，将模糊控制引入PID控制中控制律通过观测与拖船和空间碎片间的距离与期望距离之间的误差及其变化率，计算出应当施加在拖船上的控制力，在拖船上施加所述控制力主动控制绳系拖曳系统，使拖船、空间碎片之间的距离逼近期望状态，实现对绳系拖曳系统回弹抑制。本发明专利技术仅通过观测与拖船和空间碎片间的距离与期望距离之间的误差及其变化率，即能够计算出应当施加在拖船上的控制力，具有控制方法简单、计算量小、可操作性高、鲁棒性强等优点。本发明专利技术能够抑制绳系拖曳系统的回弹，保证拖曳系统安全稳定运行。全稳定运行。全稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法


[0001]本专利技术涉及一种绳系拖曳主动控制方法，涉及一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，适用于空间碎片的拖曳离轨清除过程，属于航天器动力学与控制领域。

技术介绍

[0002]根据欧洲航天局给出的数据，自1957年10月4日第一颗人造地球卫星Sputnik
‑
1进入太空以来，截止到2023年初，人类共进行了约6370次航天器发射活动(包括发射失败)，将约15070颗航天器送入轨道，目前仅有约7200颗在轨服役的航天器，其它航天器大多成为了空间碎片。空间碎片的数量已经增长得如此庞大，不仅意味着有限的轨道资源被不断占用，更加危险的是，空间碎片与航天器发生碰撞的风险也在随之提升。即使未来不再进行任何的天发射活动，当前规模的空间碎片也会因为相互碰撞使空间碎片的数量不断增加。因此，目前仅依靠大气阻力等方式被动清除碎片或是限制未来航天活动中碎片的产生已不足以维持空间环境的稳定。空间碎片的主动清除任务的执行已经势在必行。
[0003]主动清除空间碎片实际上是通过人为的方式使空间碎片离开所处的轨道，一般地，对于在低近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)上的空间碎片会采取使其降轨的方式使之进入大气层销毁，对于轨道较高的空间碎片，如在地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)上的空间碎片，则使之进入设定的坟墓轨道中。在众多主动清除技术中，由于绳系质量轻、占用空间体积小、工作范围大、成本低、安全可靠等优点，绳系拖曳清除是安全性、可行性较高的清除技术之一。在绳系拖曳系统中，充当拖船的航天器通过一根柔性系绳拖曳空间碎片，一起进行轨道转移，达到清除空间碎片的目的。
[0004]尽管绳系拖曳清除空间碎片有众多优势，但由于柔性绳系的结构特点，同时也带来了一系列问题。例如，在拖船拖曳空间碎片进行轨道转移时，拖船的推力器可能会多次开关机，此时空间碎片可能有向拖船运动的趋势，这一现象被称作回弹现象，改现象使拖船和空间碎片间可能发生碰撞，对系统的安全和正常运行产生威胁。因此，为保证在拖曳过程中系统的安全与稳定，需要采取主动控制来抑制绳系拖曳系统的回弹现象。

技术实现思路

[0005]针对拖曳过程中绳系拖曳系统可能出现的回弹现象，本专利技术提供主要目的是提供一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，构建绳系拖曳系统简化模型，将模糊控制引入PID控制中，设计控制律，该控制律通过观测与拖船和空间碎片间的距离与期望距离之间的误差及其变化率，计算出应当施加在拖船上的控制力，在拖船上施加所述控制力主动控制绳系拖曳系统，使拖船、空间碎片之间的距离逼近期望状态，实现对绳系拖曳系统回弹现象的抑制。本专利技术仅通过观测与拖船和空间碎片间的距离与期望距离之间的误差及其变化率，即能够计算出应当施加在拖船上的控制力，具有控制方法简单、计算量小、可操作性高、鲁棒性强等优点。本专利技术能够抑制绳系拖曳系统的回弹现象，保证拖曳系统的安全稳定运行。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：忽略绳系拖曳系统摆动，建立绳系拖曳系统简化模型涉及的相关坐标系，所述参考坐标系为绳系拖曳系统质心轨道坐标系。将所述绳系拖曳系统包括有主动控制能力的拖船，被拖曳的空间碎片和连接二者的系绳，将拖船和空间碎片视作质心，将系绳视作无质量的有阻尼的仅受拉力而不受压力的半弹簧。利用牛顿法得到绳系拖曳系统的动力学模型。
[0009]为描述忽略系统摆动的绳系拖曳系统简化模型，建立绳系拖曳系统质心轨道坐标系f
c
(O
c
x
c
)，原点O
c
位于系统质心；x
c
轴指向空间碎片方向。
[0010]所述绳系拖曳系统包括有主动控制能力的拖船、被拖曳的空间碎片和连接二者的系绳。将拖船和空间碎片视作质心，将系绳视作无质量的有阻尼的仅受拉力而不受压力的半弹簧。在忽略系统摆动的情况下，绳系拖曳系统简化模型仅受到系绳拉力和拖船推力的影响。因此，拖船和空间碎片相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的位置变化满足：
[0011][0012][0013]其中，m
s
和m
d
分别是拖船和空间碎片的质量，r
s
和r
d
分别是拖船相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的距离，F
s
是拖船推力器输出的推力大小，T是系绳拉力大小。
[0014]将拖船和空间碎片之间的距离视作系绳实际绳长，令l＝r
s
+r
s
，系绳拉力T满足：
[0015][0016]其中，k
t
和c
t
分别是系绳的刚度系数和阻尼系数，l0是系绳的原长，δ是阶跃函数，在l＜l0时为0，在l≥l0时为1。联立拖船和空间碎片相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的位置变化式(1)和(2)，得到系统的动力学模型：
[0017][0018]步骤二：将实际绳长l与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象。所述模糊PID控制器是在经典PID控制基础上，设计模糊控制器对三个PID控制参数即比例控制参数k
P
，积分控制参数k
I
和微分控制参数k
D
进行控制。所述经典PID控制部分输入为e和输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象，其中的三个控制参数受到所述模糊控制器控制。所述模糊控制器输入为e和输出为三个PID控制参数k
P
，k
I
和k
D
。所述模糊控制器设计，将由实数值描述的输入量e和将其模糊化为语言描述的对应模糊集合；建立模糊规则库，结合使用Mamdani推理算法的模糊推理器得到所需的输出模糊集合；利用重心解模糊器再将输出模糊集合转化为实数值；所得到的实数值分别对应三个控制参数的增量，因此根据所得到的实数值得到受控之后的三个控制参数，得到模糊PID控制器。
[0019]步骤2.1：将步骤一中的实际绳长l与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象。
[0020]首先，将实际绳长l与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象。误差满足e＝l
‑
l
d
，由于在期望状态下，绳系拖曳系统中拖船和空间碎片之间无相对运动，此时拖船和空间碎片的速度和加速度大小相等方向相同，根据步骤一中的动力学模型，期望绳长满足下式(5)：
[0021][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一：忽略绳系拖曳系统摆动，建立绳系拖曳系统简化模型涉及的相关坐标系，所述参考坐标系为绳系拖曳系统质心轨道坐标系；将所述绳系拖曳系统包括有主动控制能力的拖船，被拖曳的空间碎片和连接二者的系绳，将拖船和空间碎片视作质心，将系绳视作无质量的有阻尼的仅受拉力而不受压力的半弹簧；利用牛顿法得到绳系拖曳系统的动力学模型；步骤二：将实际绳长|l|与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象；所述模糊PID控制器是在经典PID控制基础上，设计模糊控制器对三个PID控制参数即比例控制参数k
P
，积分控制参数k
I
和微分控制参数k
D
进行控制；所述经典PID控制部分输入为e和输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象，其中的三个控制参数受到所述模糊控制器控制；所述模糊控制器输入为e和输出为三个PID控制参数k
P
，k
I
和k
D
；所述模糊控制器设计，将由实数值描述的输入量e和将其模糊化为语言描述的对应模糊集合；建立模糊规则库，结合使用Mamdani推理算法的模糊推理器得到所需的输出模糊集合；利用重心解模糊器再将输出模糊集合转化为实数值；所得到的实数值分别对应三个控制参数的增量，因此根据所得到的实数值得到受控之后的三个控制参数，得到模糊PID控制器；步骤三：观测与拖船和空间碎片间的距离与期望距离之间的误差及其变化率，通过步骤二设计模糊PID控制器，计算出应当施加在拖船上的控制力，在拖船上施加所述控制力主动控制绳系拖曳系统，使拖船、空间碎片之间的距离逼近期望状态，实现对绳系拖曳系统回弹现象的抑制。2.如权利要求1所述的一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，为描述忽略系统摆动的绳系拖曳系统简化模型，建立绳系拖曳系统质心轨道坐标系f
c
(O
c
x
c
)，原点O
c
位于系统质心；x
c
轴指向空间碎片方向；所述绳系拖曳系统包括有主动控制能力的拖船、被拖曳的空间碎片和连接二者的系绳；将拖船和空间碎片视作质心，将系绳视作无质量的有阻尼的仅受拉力而不受压力的半弹簧；在忽略系统摆动的情况下，绳系拖曳系统简化模型仅受到系绳拉力和拖船推力的影响；因此，拖船和空间碎片相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的位置变化满足：响；因此，拖船和空间碎片相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的位置变化满足：其中，m
s
和m
d
分别是拖船和空间碎片的质量，r
s
和r
d
分别是拖船相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的距离，F
s
是拖船推力器输出的推力大小，T是系绳拉力大小；将拖船和空间碎片之间的距离视作系绳实际绳长，令l＝r
s
+r
s
，系绳拉力T满足：其中，k
t
和c
t
分别是系绳的刚度系数和阻尼系数，l0是系绳的原长，δ是阶跃函数，在l＜
l0时为0，在l≥l0时为1；联立拖船和空间碎片相对于绳系拖曳系统质心轨道坐标系原点的位置变化式(1)和(2)，得到系统的动力学模型：3.如权利要求2所述的一种抑制绳系拖曳系统回弹的模糊PID控制方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1：将步骤一中的实际绳长l与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象；首先，将实际绳长l与期望绳长l
d
的差作为误差e，将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象；误差满足e＝l
‑
l
d
，由于在期望状态下，绳系拖曳系统中拖船和空间碎片之间无相对运动，此时拖船和空间碎片的速度和加速度大小相等方向相同，根据步骤一中的动力学模型，期望绳长满足下式(5)：将误差e和误差的变化率作为输入，设计模糊PID控制器，输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象，可得控制力满足：其中，F
c
为控制力，且满足F
c
＝F
s
‑
F
e
，其中F
e
是为拖船机动输出的推力大小；为经典PID控制部分的三个控制参数k
P
，k
I
和k
D
，之后进行模糊控制器部分设计；步骤2.2：所述模糊PID控制器是在步骤2.1所述经典PID控制基础上，设计模糊控制器对三个PID控制参数即比例控制参数k
P
，积分控制参数k
I
和微分控制参数k
D
进行控制；所述经典PID控制部分输入为e和输出控制力抑制绳系拖曳系统的回弹现象，其中的三个控制参数受到所述模糊控制器控制；所述模糊控制器输入为e和输出为三个PID控制参数k
P
，k
I
和k
D
；所述模糊控制器设计，将由实数值描述的输入量e和将其模糊化为语言描述的对应模糊集合；变化范围本质是由所有连续的或离散的对象{u}组成的集合U，该集合被称为论域，u为U中一个元素；不妨设，e和的变化范围分别为[

【专利技术属性】
技术研发人员：张景瑞，石安睿，蔡晗，杨科莹，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：