探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统技术方案

本发明专利技术提供了探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，包括基于电压驱动算法和位移传感的空间惯性传感器多体多自由度开环动力学模型，基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器，包含有界切换增益的自适应控制器校正器及解决非连续模式切换过程的自适应分积分自适应项。所述基于输出调节的模型参考自适应控制的解耦控制器提供了系统仅有降维输出信息前提下的全维状态信息解耦控制，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器校正系统因非连续扰动或模式切换引起的控制器瞬态效应，所述自触发机制提供了一种采样控制方案，在不增加额外监控信息的前提下降低执行器与控制系统间的通信负担。行器与控制系统间的通信负担。行器与控制系统间的通信负担。

【技术实现步骤摘要】
探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统


[0001]本专利技术涉及控制系统设计
，具体地，涉及探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统。

技术介绍

[0002]空间引力波探测中，惯性传感器作为卫星的关键载荷，主要用于检测卫星平台与检验质量之间的位置信息，其核心任务是保证检验质量无接触地在框架内自由漂浮，使检验质量不受卫星平台和宇宙环境的扰动，控制系统用于稳定检验质量的位移响应。
[0003]目前，常用的控制系统设计主要基于线性鲁棒控制方法，这种方式设计的控制系统忽略了惯性传感器内部的非线性不确定性，难以获得更高精度的控制效果。此外，线性鲁棒控制系统忽略各自由度间耦合效应、执行器输入饱和及输入延迟现象，仅能作为单输入单输出系统的控制方法；亦不能提供采样控制能力，造成系统通信资源的额外消耗，难以适应低频段空间引力波探测任务的实际解耦控制的迫切需求。
[0004]公开号为CN114337667A的专利文献公开了一种用于空间引力波探测的惯性传感器两自由度驱动电路,包括电源电路、数模转换电路、模数转换电路以及接口电路；所述电源电路连接所述数模转换电路、所述模数转换电路以及所述接口电路；所述电源电路用于给所述数模转换电路、所述模数转换电路以及所述接口电路提供电压；所述数模转换电路的连接所述模数转换电路；所述接口电路连接所述电源电路、所述数模转换电路以及所述模数转换电路。本专利技术提高了空间惯性传感器驱动电路的精度并简化了设计复杂度。但是该专利文献仍然存在未进行控制系统闭环验证的缺陷。
[0005]公开号为CN113740929A的专利文献公开了一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法,包括：真空容器、二级扭摆和悬丝张紧机构；二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、二级悬丝、检验质量块和配平质量块；悬丝张紧机构包括张紧悬丝；真空容器与地面刚性连接；二级扭摆中,秤杆通过一级悬丝与容器顶部连接,检验质量通过二级悬丝与秤杆一端连接,配平质量块与秤杆另一段端连接；悬丝张紧机构中,张紧悬丝与秤杆底部及张力调节机构连接,张力调节机构与真空容器底部连接；电容极板放置在位移调节装置上方并包围检验质量；本专利技术利用二级扭摆对水平方向地面振动不敏感的特性,抑制了地面振动耦合进入待测惯性传感器,同时通过引入扭摆张紧机构,进而获得更好的地面振动效应抑制效果，但该专利文献仍未基于控制的角度对多自由度惯性传感器系统的解耦能力和效果展开分析。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于低频段空间引力波探测的惯性传感器多自由度解耦控制技术。
[0007]根据本专利技术提供的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，包括基于电压驱动算法和位移传感的空间惯性传感器多体多自由度开环动力学模型，基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器，包含有界切换增益的自适应控制器校正器。为实现
系统采样控制需求，所述空间惯性传感器多自由度解耦控制方法引入了自触发机制。
[0008]所述多自由度惯性传感器开环动力学系统的输出端连接所述自触发机制；
[0009]所述自触发机制连接所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器；
[0010]所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器由所述标称输出调节状态估计器，所述输出调节自适应控制器，所述解耦参考模型，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器及所述积分自适应项构成；所述标称输出调节状态估计器用于提供降维输出向全维状态信息的观测；所述输出调节自适应控制器用于提供各输出响应向所述解耦参考模型的自适应逼近；所述解耦参考模型用于提供解耦指令，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器用于校正系统因非连续扰动或模式切换引起的控制器瞬态效应；
[0011]所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器连接所述多自由度惯性传感器开环动力学系统的输入端。
[0012]优选的，所述惯性传感器开环动力学系统包含六个对应于惯性传感器平动及转动自由度的通道；
[0013]每个所述通道包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法，位移传感模型，惯性传感器多体动力学系统；
[0014]所述交流反馈控制器的输出端连接所述包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法；
[0015]所述包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法连接所述位移传感模型；
[0016]所述位移传感模型连接所述惯性传感器多体动力学系统；
[0017]所述惯性传感器多体动力学系统连接包含所述标称二阶动力学系统，外界扰动，执行器故障、输入延迟及输入饱和；
[0018]所述惯性传感器多体动力学系统连接所述交流反馈控制器的输入端。
[0019]优选的，所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器由所述标称输出调节状态估计器，所述输出调节自适应控制器，所述解耦参考模型，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器及所述积分自适应项构成；
[0020]所述自触发机制的输出端连接所述标称输出调节状态估计器，所述所述标称输出调节状态估计器连接所述输出调节自适应控制器；
[0021]所述解耦参考模型连接所述输出调节自适应控制器；
[0022]所述自触发机制的输出端连接所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器；
[0023]所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器连接所述输出调节自适应控制器；
[0024]所述积分自适应项连接连接所述输出调节自适应控制器。
[0025]优选的，所述自触发机制的触发间隔依赖于控制幅度增益：
[0026][0027]其中t
k
时刻代表第k个触发瞬态，u
c
为虚拟控制变量，由后续的控制器设计方案确定；为广义梯度定义下的控制输入的一阶导数。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0029]1、本专利技术提高了空间惯性传感器交流控制系统对多自由度响应的控制精度；
[0030]2、本专利技术提高了空间惯性传感器交流控制系统对多自由度响应的解耦效果；
[0031]3、本专利技术提出的可切换增益自适应控制技术，实现大范围模式向高分辨率模式转化下的不连续切换瞬态抑制。
[0032]4、本专利技术提出的基于输出调节的自适应解耦控制技术，实现了降维状态信息可获取下的全自由度解耦控制。
附图说明
[0033]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0034]图1为本专利技术的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统的组成框架；
[0035]图2为本专利技术的用于空间引力波探测的惯性传感器结构示意图；
[0036]图3为本专利技术的用于空间引力波探测的惯性传感器多自由度采样控制下控制输入的仿真曲线；
[0037]图4为本专利技术的用于空间引力波探测的惯性传感器多自由度控制器中有界切换增益的示意图；
[0038]图5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，其特征在于，包括基于电压驱动算法和位移传感的空间惯性传感器多体多自由度开环动力学模型，基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器，包含有界切换增益的自适应控制器校正器，为实现系统采样控制需求，所述空间惯性传感器多自由度解耦控制方法引入了自触发机制；所述多自由度惯性传感器开环动力学系统的输出端连接所述自触发机制；所述自触发机制连接所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器；所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器由所述标称输出调节状态估计器、所述输出调节自适应控制器、所述解耦参考模型、所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器及所述积分自适应项构成；所述标称输出调节状态估计器用于提供降维输出向全维状态信息的观测；所述输出调节自适应控制器用于提供各输出响应向所述解耦参考模型的自适应逼近；所述解耦参考模型用于提供解耦指令，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器用于校正系统因非连续扰动或模式切换引起的控制器瞬态效应；所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器连接所述多自由度惯性传感器开环动力学系统的输入端。2.根据权利要求1所述的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，其特征在于，所述惯性传感器开环动力学系统包含六个对应于惯性传感器平动及转动自由度的通道；每个所述通道包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法、位移传感模型和惯性传感器多体动力学系统；所述交流反馈控制器的输出端连接所述包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法；所述包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法连接所述位移传感模型；所述位移传感模型连接所述惯性传感器多体动力学系统；所述惯性传感器多体动力学系统连接包含所述标称二阶动力学系统，外界扰动，执行器故障、输入延迟及输入饱和；所述惯性传感器多体动力学系统连接所述交流反馈控制器的输入端。3.根据权利要求1所述的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，其特征在于，所述基于输出调节模型参考自适应控制的解耦控制器由所述标称输出调节状态估计器，所述输出调节自适应控制器，所述解耦参考模型，所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器及所述积分自适应项构成；所述自触发机制的输出端连接所述标称输出调节状态估计器，所述标称输出调节状态估计器连接所述输出调节自适应控制器；所述解耦参考模型连接所述输出调节自适应控制器；所述自触发机制的输出端连接所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器；所述包含有界切换增益的自适应控制器校正器连接所述输出调节自适应控制器；所述积分自适应项连接所述输出调节自适应控制器。4.根据权利要求1所述的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，其特征在于，所述自触发机制的触发间隔依赖于控制幅度增益：
其中t
k
时刻代表第k个触发瞬态，u
c
为虚拟控制变量，由后续的控制器设计方案确定；为广义梯度定义下的控制输入的一阶导数；所述开环动力学系统的输出端连接所述自触发机制，所述自触发机制连接所述多自由度解耦控制器的输入端。5.根据权利要求2所述的探测空间引力波的惯性传感器多自由度解耦控制系统，其特征在于，所述惯性传感器开环动力学系统包含高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法、位移传感模型和惯性传感器多体动力学系统；所述高分辨率及大范围模式切换交流电压驱动算法及位移传感模型构成传感器内部动力学传递关系；惯性传感器电压驱动算法中存在两种工作模式：1)大范围模式(WR)；2)高分辨率(高精度)模式(HR)；对于高分辨率模式，规定了恒定的驱动刚度要求，在x方向上：其中，所述类似的方程对于其他方向以及扭矩都有效。对于大范围模式，选择最小化驱动刚度；在x方向上：在高分辨率模式下，控制力与极板电压的关系可以表达为：其中，A
x
,d
x
分别为x方向传感器电容极板面积和极板到质量块的间距，V
i

【专利技术属性】
技术研发人员：孙笑云，吴树范，张倩云，沈强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：