CN111580388B - 一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，具体步骤为：步骤一、基于特征模型理论，对无拖曳回路进行二阶特征建模；步骤二、使用梯度法辨识特征模型参数；步骤三、基于估计特征参量，构造差分黄金分割自适应控制律设计，完成整个无拖曳控制方法。本发明能够处理含大不确定性及开环不稳定特性的无拖曳卫星位移模式，通过提出一种差分黄金分割自适应控制策略，解决了传统二阶自适应控制器难以实现位移模式高相对阶不稳定特性闭环镇定的难题。该方法能够保证闭环稳态特性的同时，有效适应推力器参数的大不确定性，使得位移模式的控制性能得到有效改善。

Description

一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法
技术领域
本发明属于航天器控制技术领域，涉及一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法。
背景技术
无拖曳控制是当前和未来若干空间任务中的一项关键技术。广义上的无拖曳卫星分为位移模式与加速度模式，前者的工作原理为采用推进器抵消卫星平台受到的非保守合力，通过相对位移反馈控制使得在卫星中间悬浮放置的质量块与卫星平台同步运动，而后者将质量块换成直接测量外界扰动的加速度计，并使用加速度测量值进行反馈控制。位移反馈模式下的质量块具有更低的噪声水平，常用于空间基础物理实验，如引力波探测、等效原理检验、短线程效应和坐标系拖曳效应的测量等。
无拖曳卫星控制器设计一直是无拖曳卫星研究的重点。目前，国际上主流的无拖曳控制方法有PID控制、EMC和鲁棒控制，其中，相当一部分研究没有考虑执行器和传感器动力学，缺乏工程实际应用价值。实际上，受制于地面测试条件的限制，无拖曳控制回路中的执行机构模型均包含很大的不确定性，该不确定性对控制的影响极大；而对于位移模式无拖曳控制回路，由于质量块与腔体之间静电负刚度的存在，使得对象本身为开环不稳定***，这对控制器的设计提出了进一步挑战。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对含大不确定性及开环不稳定特性的无拖曳卫星位移模式，提出了一种差分黄金分割自适应控制策略，解决了传统二阶自适应控制器难以实现位移模式高相对阶不稳定特性闭环镇定的难题。该方法能够保证闭环稳态特性的同时，有效适应推力器参数的大不确定性，使得位移模式的控制性能得到有效改善。
本发明的技术方案是：一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，包括如下步骤：
步骤一、基于特征模型理论，对无拖曳回路进行二阶特征建模；
步骤二、使用梯度法辨识特征模型参数；
步骤三、基于估计特征参量，构造差分黄金分割自适应控制律设计，完成整个无拖曳控制方法。
所述步骤一的具体过程为：
在相对位移无拖曳控制情形，狭义控制对象与敏感器模型合为一体，描述为：
Figure BDA0002486974730000021
式中，x1＝x，x为TQ-1卫星电极室形心到检验质量质心的位移矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；
Figure BDA0002486974730000022
为对应的加速度矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；Ω2为广义负刚度加速度的绝对值；aD为广义外扰力加速度，由非保守力加速度与姿态耦合产生的干扰加速度构成；uF为作用于合成模型的控制力；MSC为卫星质量；
将上述高相对阶开环不稳定***通过离散化方法等效为如下二阶特征模型形式：
y(k+1)＝f1,ky(k)+f2,ky(k-1)+g0,ku(k)
其中，y(k)为第k拍时刻***的惯性传感器采样输出，u(k)为控制输入，f1,k,f2,k,g0,k为慢时变的特征参量。
所述步骤二中，使用梯度法辨识特征模型参数f1,k,f2,k,g0,k，即
Figure BDA0002486974730000023
Figure BDA0002486974730000024
θT(k)＝[f1,k f2,k … g0,k]
式中，λ1,λ2根据干扰量大小和收敛速度要求选定，然后将特征模型参数投影到给定范围内，辨识结果记为
Figure BDA0002486974730000031
所述步骤三中，基于二阶特征模型，构造差分黄金分割自适应控制律，完成整个无拖曳控制方法的设计，控制律具体设计如下
Figure BDA0002486974730000032
其中，ui(k)为逻辑积分控制量，ug(k)为黄金分割控制量，l1＝0.382,l2＝0.618,e(k)＝y(k)-yr(k),ki≥0，yr(k)为期望值，λ为正常数，kz>0为差分器增益。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)针对无拖曳卫星位移模式提出了一种新型的自适应控制方法，将包含卫星模型、传感器模型及推进执行机构模型的复杂非线性不确定无拖曳回路用二阶特征模型进行等效，使得建模过程大大简化
(2)本发明提出了一种重力测量卫星位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，通过控制器差分逻辑设计对传统黄金分割自适应控制算法进行了改进，解决了对静电负刚度引起的不稳定特性的闭环镇定问题；
(3)本发明利用改进后的自适应控制策略，通过调整差分参数，可以有效扩展***的稳定区域；
(4)本发明通过对敏感器/执行机构的不确定性在线估计可实现无拖曳控制器参数自整定。整个算法设计简单，参数调试工作量小，使得***的稳定裕度和动态性能均得到改善。
附图说明
图1为本发明控制流程图。
图2为无拖曳控制回路框图。
图3为相对位移测量输出示意图。
图4为推力器指令推力示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，包括如下步骤：
步骤一、基于特征模型理论，对无拖曳回路进行二阶特征建模；
步骤二、使用梯度法辨识特征模型参数；
步骤三、基于估计特征参量，进行差分黄金分割自适应控制律设计。
所述步骤一的具体过程为：
在相对位移无拖曳控制情形，狭义控制对象与敏感器模型合为一体，描述为：
Figure BDA0002486974730000041
式中，x1＝x，x为TQ-1卫星电极室形心到检验质量质心的位移矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；
Figure BDA0002486974730000042
为对应的加速度矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；Ω2为广义负刚度加速度的绝对值；aD为广义外扰力加速度，由非保守力加速度与姿态耦合产生的干扰加速度构成；uF为作用于合成模型的控制力；MSC为卫星质量。
无拖曳控制***中的微推执行机构考虑为一阶时延环节，CIC滤波器在10Hz以下频段可以用多个二阶时延环节串联等效，整个无拖曳回路被控对象为复杂的非线性***，由于静电负刚度的存在，该对象属于高相对阶开环不稳定***(相对阶>2)，可以通过离散化方法等效为如下二阶特征模型形式：
y(k+1)＝f1,ky(k)+f2,ky(k-1)+g0,ku(k)
其中，y(k)为第k拍时刻***的惯性传感器采样输出，u(k)为控制输入，f1,k,f2,k,g0,k为慢时变的特征参量。
所述步骤二中，使用梯度法辨识特征模型参数f1,k,f2,k,g0,k，即
Figure BDA0002486974730000051
Figure BDA0002486974730000052
θT(k)＝[f1,k f2,k … g0,k]
式中，λ1,λ2根据干扰量大小和收敛速度要求选定，然后将特征模型参数投影到给定范围内，辨识结果记为
Figure BDA0002486974730000053
所述步骤三中，基于二阶特征模型，构造差分黄金分割自适应控制律，完成整个无拖曳控制方法的设计，控制律具体设计如下
Figure BDA0002486974730000054
其中，ui(k)为逻辑积分控制量，ug(k)为黄金分割控制量，l1＝0.382,l2＝0.618,e(k)＝y(k)-yr(k),ki≥0，yr(k)为期望值，λ为正常数，kz>0为差分器增益。
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
以XX-1卫星为例，对本申报专利提出的自适应控制方法进行数学仿真，卫星运行在628km的太阳同步圆轨道，姿态控制回路可以保证无拖曳模式下的零姿态。为简化仿真，仅考虑x轴方向的位移模式无拖曳控制，卫星质量为100kg，静电负刚度系数为0.0093，推力器是一阶时延对象，一节时间常数为1s，时延为0.01s，相对位移输出通过两级CIC滤波器降采样到10Hz。整个回路框图如图2所示，相对位移测量输出以及x轴非保守合力分别如图3和图4所示，非保守合力在t＝1060s发生突变(太阳光压力引入)。仿真结果表明位移输出具有良好的稳态和动态性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、基于特征模型理论，对无拖曳回路进行二阶特征建模；
步骤二、使用梯度法辨识特征模型参数；
步骤三、完成整个无拖曳控制方法；
所述步骤二中，使用梯度法辨识特征模型参数f1,k,f2,k,g0,k，即
Figure FDA0003742486350000011
Figure FDA0003742486350000012
θT(k)＝[f1,k f2,k…g0,k]
式中，λ1,λ2根据干扰量大小和收敛速度要求选定，然后将特征模型参数投影到给定范围内，辨识结果记为
Figure FDA0003742486350000013
所述步骤三中，基于二阶特征模型，构造位移模式差分黄金分割自适应控制律，完成整个无拖曳控制方法的设计；
所述位移模式差分黄金分割自适应控制律具体设计如下：
Figure FDA0003742486350000014
其中，ui(k)为逻辑积分控制量，ug(k)为黄金分割控制量，l1＝0.382，l2＝0.618，e(k)＝y(k)-yr(k)，ki≥0，yr(k)为期望值，λ为正常数，kz>0为差分器增益。
2.根据权利要求1所述的一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，其特征在于：所述步骤一的具体过程为：
在相对位移无拖曳控制情形，狭义控制对象与敏感器模型合为一体，描述为：
Figure FDA0003742486350000021
式中，x1＝x，x为TQ-1卫星电极室形心到检验质量质心的位移矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；
Figure FDA0003742486350000022
为对应的加速度矢量在卫星本体坐标系x方向的分量；Ω2为广义负刚度加速度的绝对值；aD为广义外扰力加速度，由非保守力加速度与姿态耦合产生的干扰加速度构成；uF为作用于合成模型的控制力；MSC为卫星质量；
将高相对阶开环不稳定***通过离散化方法等效为二阶特征模型形式。
3.根据权利要求2所述的一种位移模式差分黄金分割自适应无拖曳控制方法，其特征在于：所述二阶特征模型形式为：
y(k+1)＝f1,ky(k)+f2,ky(k-1)+g0,ku(k)
其中，y(k)为第k拍时刻***的惯性传感器采样输出，u(k)为控制输入，f1,k,f2,k,g0,k为慢时变的特征参量。
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