基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统及其控制方法，属于航天器姿态控制的技术领域。所述控制系统包括至少两个控制器、识别器、切换器。估计器包括：反虚拟被控模块、虚拟被控模块、决策器。所述控制方法在控制器与估计器连接时，由估计器估计控制器镇定信息；在控制器与被控系统连接时，由识别器识别控制器镇定信息；切换器根据控制器镇定信息切换与被控系统连接的控制器。本发明专利技术克服了传统控制方法在控制器带有不确定时变参数的情况下很难镇定系统的局限性，提高了航天器姿态控制系统运行的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了，属于航天器姿态控制的

技术介绍
航天器姿态控制问题，因其重要的工程及学术价值，已经引起了人们极大的兴趣，提出了多种多样的航天器姿态控制方法和技术。航天器姿控系统对安全性有着极高的要求，而空间环境的不确定性，例如温度变化、磁场变化、辐射变化、单粒子效应等因素，对航天器姿态控制系统的电子器件会产生不可忽视的影响，令其参数发生变化的分析，并可能进一步使得控制器、执行器、传感器等单元发生异常，无法正常运行，并进而使姿态控制的性能下降甚至使得系统不稳定。针对器件不确定参数变化性对系统的影响，现有成果主要从两种思路进行姿态控制的研究，(I)运用鲁棒控制的方法，将不确定时变参数看成系统的外界扰动或不确定性，设计鲁棒控制器，使得系统具有一定程度的抗干扰性；(2)运用自适应控制的方法，设计自适应机制去估计不确定时变参数，基于估计信息去调节控制器以补偿这些不确定和干扰对系统的影响。基于上述两种思路的方法有一个共同的必要条件，就是基于完好的控制器，从而可以精确的实现所设计的控制律，并且控制律的实现不受不确定参数的影响。而航天器的控制单元也是由精密的电子器件构成，其性能同样也会收到外界环境的影响，当控制单元本身也因为环境影响而带有不确定性时变参数，并且控制律的实现与不确定性时变参数耦合的时候，现有方法便很难适用。在这种情况下，控制单元里的不确定时变参数对系统的影响很难被补偿，任何控制律都无法在控制单元中精确的实现，姿态控制系统的稳定性就很难保证，这给航天器的正常运行带来很高的风险性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案:基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统，包括至少两个控制器、识别器、切换器；所述识别器输入端接被控系统输出端，识别器输出端接切换器；所述控制器中，有且只有一个控制器的输出端接被控系统输入端；所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统中还包括数目与控制器相同的估计器、数目与控制器相同的选择开关，所述每个控制器通过一个选择开关与一个估计器或者被控系统输出端连接，识别器在控制器与被控系统输出端连接时输出控制器镇定信息至切换器，估计器在控制器与估计器连接时输出控制器镇定信息至切换器；所述切换器根据控制器镇定信息，切换与被控系统输入端连接的控制器。所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统中，估计器包括:反虚拟被控模块、虚拟被控模块、决策器，其中，所述反虚拟被控模块输入端、虚拟被控模块输入端分别与控制器输出端连接，所述反虚拟被控模块输出端或者虚拟被控模块输出端与控制器输入端连接，所述反虚拟被控模块输出端、虚拟被控模块输出端分别与所述决策器输入端连接，决策器输出端接切换器。所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统的控制方法，采用如下步骤操作每一个控制器:步骤1，建立被控系统数学模型，以及考虑了不确定时变参数影响的控制器数学模型；步骤2，建立控制器不确定时变参数变化与被控系统稳定的关系；步骤3，检测每一个控制器的连接情况，根据步骤2建立的控制器不确定时变参数变化与被控系统稳定的关系得到每一个控制器镇定信息；步骤4，切换器根据步骤3所述的控制器镇定信息发出切换指令，选择一个控制器与被控系统连接。所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统的控制方法中，步骤2的具体实施方法如下:步骤2-1，利用被控系统状态量构建李雅普诺夫函数；步骤2-2，在步骤I所述的考虑了不确定时变参数影响的控制器数学模型的作用下，求解李雅普诺夫函数沿着被控系统数学模型轨迹的时间导数，将不确定时变参数取值划分为镇定被控系统取值域、非镇定被控系统取值域。所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统的控制方法中，步骤3利用如下步骤根据步骤2建立的控制器不确定时变参数变化与被控系统稳定的关系得到每一个控制器的镇定信息:步骤A，在初始时刻连接控制器与虚拟被控模块，检测控制器与被控系统的连接关系:当控制器与被控系统连接时:断开控制器与虚拟被控模块的连接，直到控制器与被控系统断开连接时，进入步骤C ;当控制器与被控系统断开连接时，初始化虚拟被控模块得到控制器镇定信息:控制器镇定被控系统时，进入步骤B，控制器不能镇定被控系统时，进入步骤C ；步骤B，初始化虚拟被控模块，利用虚拟被控模块估计控制器镇定信息，具体包括如下步骤:步骤B-1，控制器输入纟而与虚拟被控|旲块输出纟而连接；步骤B-2，检测到控制器与被控系统的连接状况:当控制器与被控系统连接时，断开控制器与虚拟被控模块的连接，直到控制器与被控系统断开连接时，进入步骤C ;当控制器与被控系统断开连接，且控制器镇定被控系统时，返回步骤B-1，否则，进入步骤C;步骤C，初始化反虚拟被控模块，利用反虚拟被控模块估计控制器镇定信息，具体包括如下步骤:步骤C-1，控制器输入端与反虚拟被控模块输出端连接；步骤C-2，在控制器镇定被控系统时，返回步骤B，否则，返回步骤C-1。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果:利用冗余控制器互补的特点，选取合适个数的控制器，并设计合适的切换律，使得航天器姿态控制系统在一组冗余控制器的切换控制下，依然能保持稳定，从而克服了传统控制方法在控制器带有不确定时变参数的情况下很难镇定系统的局限性，有效避免了单一控制器给航天器姿态控制系统运行带来的高风险，对于航天器这种要求高可靠性的系统有着重要的实际意义。附图说明图1为基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统的示意图。图2为与控制器i连接的估计器e i的设计示意图。图3为估计器识别控制器镇定信息的流程图。图4为识别器Ip识别控制器镇定信息的流程图。图5为切换器切换率的流程示意图。图6为仿真实施例中不确定时变参数的波形图。图7为仿真实施例中切换函数的波形图。图8为仿真实施例中惯性角速度三维向量的轨迹图。图9为仿真实施例中四元数的轨迹图。具体实施例方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明:基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统如图1所示，包括m个控制器、识别器Ip、切换器。识别器Ip输入端接被控系统P输出端，识别器Ip输出端接切换器。有且只有一个控制器输出端接被控系统P输入端。本专利技术所涉及的基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统中还包括m个估计器、m个选择开关，m为大于等于2的正整数。每个控制器通过一个选择开关与一个估计器Ip或者被控系统P输出端连接，识别器Ip在控制器与被控系统P输出端连接时输出控制器镇定信息至切换器，估计器在控制器与估计器连接时输出控制器镇定信息至切换器。当控制器与估计器连接时，控制器以及与其连接的一个估计器、一个选择开关组成的子单元中:估计器输入端与控制器输出端连接，估计器第一输出端接切换器，估计器第二输出端通过选择开关与控制器输入端连接。当控制器与被控系统P输出端连接时，估计器输入端与控制器输出端连接，估计器第一输出端接切换器，估计器第二输出端通过选择开关与被控系统P输出端连接。切换器根据估计器输出的控制器镇定信息或者识别器Ip输出的控制器镇定信息得到切换指令，切换与被控系统P输入端连接的控制器。与控制器i连接的估计器e i的设计如图2所示，包括:反虚拟被控模块AVP1、虚拟被控模块VP1、决策器Ii。反虚拟被控模块AVP本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统，包括至少两个控制器、识别器、切换器；所述识别器输入端接被控系统输出端，识别器输出端接切换器；所述控制器中，有且只有一个控制器的输出端接被控系统输入端；其特征在于，所述基于冗余控制器的航天器闭环姿态控制系统中还包括数目与控制器相同的估计器、数目与控制器相同的选择开关，所述每个控制器通过一个选择开关与一个估计器或者被控系统输出端连接，识别器在控制器与被控系统输出端连接时输出控制器镇定信息至切换器，估计器在控制器与估计器连接时输出控制器镇定信息至切换器；所述切换器根据控制器镇定信息，切换与被控系统输入端连接的控制器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩，姜斌，程月华，周东华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：