一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法

本发明涉及航天器姿态控制，具体是一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法。

背景技术：

1、随着航天技术的高速发展和航天需求的不断提高，空间任务由单一化逐渐向多样化、复杂化、自主化的方向发展，对航天器的控制精度和稳定性的要求也随之上升。姿态控制是航天器控制中最基础、最重要的控制分系统之一，高精度、高鲁棒性的姿态控制是复杂空间任务执行的强力保障。由于太空环境的复杂未知以及航天器本身的性能限制，航天器在执行姿态机动任务时总是会面临各种复杂的问题，主要包括燃料和载荷的变化引起的惯性参数不确定性、来自内外部的多源干扰、传感器测量故障以及航天器执行机构故障等。

2、考虑到航天器运行过程中可能遇到的干扰、输入饱和等多种问题，本领域学者提出了多种控制算法，比如自适应控制、滑模控制、预设性能控制，其中预设性能控制方法由于预设受控系统性能和控制方案设计上的优势而备受关注。

3、然而，传统预设性能控制方法虽然能够在一定程度上保证误差的收敛速度和可控超调，满足系统的瞬态性能和稳定性要求，使航天器的动态过程满足规定约束，但存在应对饱和时无法满足性能约束的局限性问题，导致预设性能控制在饱和期间失效。

技术实现思路

1、为克服传统预设性能控制方法的局限性，本发明提供一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法，它基于预设性能控制，考虑外部环境干扰以及输入饱和限幅，通过引入可变性能函数，解决航天器姿态预设性能控制在饱和时的失效问题。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法，包括以下步骤：

3、步骤一：建立航天器动力学模型状态变换为预设性能的航天器姿态模型

4、考虑存在外部环境干扰和输入饱和的航天器姿态控制系统建立航天器动力学模型，采用误差转换函数将航天器姿态控制系统通过状态变换得到关于转换误差的预设性能的航天器姿态模型，转换误差表达式如下：

5、z1＝f(qv,eu,el)

6、式中，为转换误差，f(·)表示误差转换函数，表示四元数描述的航天器姿态状态，q0∈[-1,1]表示四元数标量部分，表示四元数向量部分，分别表示预设性能的上、下边界函数，可拆解为：

7、

8、式中，分别表示上、下预设性能函数，分别表示上、下可变性能函数，eu,el,ru,rl均为非负向量，把-el＜qv＜eu映射到-∞＜z1＜+∞，对转换误差求偏导得到：

9、

10、式中，分别是转换误差关于qv,eu,el的偏导，且均为3×3的对角矩阵，其中，oe,ol为正定矩阵，ou为负定矩阵；

11、基于状态变换得到预设性能的航天器姿态模型如下：

12、

13、式中，为航天器的角速度，为航天器的转动惯量矩阵，为输入力矩，为外部环境干扰；

14、步骤二：结合饱和限幅函数构造可变性能函数方程

15、针对输入饱和问题，建立航天器姿态系统中真实的输入力矩与设计的控制输入之间的差异关系，在干扰观测器对外部环境干扰估计的基础上，对控制输入应用饱和限幅函数进行限制，从而使控制输入满足输入饱和条件，保证航天器姿态控制系统抗饱和的有效性，设计真实的输入力矩如下：

16、u＝sat(uc)

17、

18、式中，为有干扰下的抗饱和控制输入，为待设计的控制输入，为干扰估计值，sat(·)为饱和限幅函数，能够改写为sat(v)＝θ(v)·v，θ(v)＝diag(θ1(v1),θ2(v2),θ3(v3))，θi(vi)具体形式如下：

19、

20、式中，umax,i为输入力矩向量第i维的最大限幅值；

21、为区分控制输入饱和与干扰补偿导致饱和，设计标志着uc是否超出饱和界限的标志变量a，a＝[a1,a2,a3]t，表达式如下：

22、

23、式中，η为正值常数，ε取小于1的正数；

24、设计可变性能函数，其微分方程表达形式如下：

25、

26、式中，i3为3×3的单位矩阵，系数矩阵γ,λ为3×3的正定对角矩阵，ρ,γ为正值常数，分别为关于的微分方程，wu,wl的表达式如下：

27、wu＝(j-1(ργ)-1((u-uc)+a·(sat(v)-v)))+

28、wl＝wu-j-1(ργ)-1((u-uc)+a·(sat(v)-v))

29、式中，函数(·)+满足对于任意三维向量a＝diag(a1,a2,a3)；

30、步骤三：设计抗饱和辅助系统和控制输入实现航天器姿态控制

31、结合步骤一中预设性能的航天器姿态模型和步骤二中可变性能函数设计控制输入，具体形式如下：

32、

33、

34、

35、式中，为反步法的虚拟输入，为反步法的虚拟误差，k1,k2为正值常数，为正定对角矩阵，为抗饱和辅助变量，抗饱和辅助系统方程如下：

36、

37、式中，μ为正值常数。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对考虑输入饱和的航天器姿态控制问题设计了一种可变性能姿态控制器，通过双层饱和限幅函数来区分饱和类型，简化控制问题的复杂性，提高控制系统的可实施性，同时，采用干扰观测器来估计航天器外部环境干扰，结合反步法设计思路，运用饱和限幅函数得到可变性能函数，进一步设计得出控制输入方程，使系统能够实时、准确地估计航天器外部干扰的影响，通过可变性能函数保证输入饱和状态下的有效控制，使得预设性能控制能够在饱和期间避免失效，从而实现了更高精度、更高鲁棒和更适应多样任务需求的姿态控制，为航天器任务的成功执行提供技术支持。

技术特征：

1.一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
一种考虑输入饱和的航天器姿态可变性能控制方法，涉及航天器姿态控制技术领域。考虑存在外部环境干扰和输入饱和的航天器姿态控制系统建立航天器动力学模型，采用误差转换函数将航天器姿态控制系统变换为预设性能的航天器姿态模型；结合饱和限幅函数构造可变性能函数方程；结合预设性能的航天器姿态模型和可变性能函数设计控制输入，从而设计抗饱和辅助系统。基于预设性能控制，考虑外部环境干扰以及输入饱和限幅，通过引入可变性能函数，解决航天器姿态预设性能控制在饱和时的失效问题。

技术研发人员：张颖,龙飞雄,吴爱国
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13